Les anneaux planétaires représentent une fabuleuse opportunité d'étudier à portée de main une majorité de phénomènes ayant lieu dans les disques fins. Que ce soient les disques galactiques, les disques circumstellaires ou les disques d'accrétion, on retrouve à tous les redshifts et à toutes les échelles de l'Univers des disques.<br /><br />Depuis l'arrivée de l'orbiteur spatial Cassini autour de Saturne en juillet 2004, notre connaissance des disques planétaires s'est considérablement accrue et un long travail s'amorce pour comprendre tous les phénomènes qui y sont observés en temps réel. Ceci est dû aux observations effectuées par Cassini qui sont inédites et uniques en termes de résolution spatiale, sensibilité, variété des géométries d'illumination et suivi temporel.<br />Parmi ces phénomènes, deux tout à fait exceptionnels ont été choisis pour l'élaboration de la thèse que je vais vous présenter.<br /><br />Une première partie porte sur un anneau à l'activité dynamique particulièrement importante : l'anneau F. Cet anneau, depuis sa découverte en 1979 par la sonde interplanétaire Pioneer 11, a suscité les théories dynamiques les plus diverses pour expliquer sa structure multi-radiale complexe et sa structure azimutale variable. <br />J'ai montré que la structure multi-radiale de cet anneau pouvait être comprise par l'existence d'une spirale qui s'enroule autour d'une région centrale, brillante, excentrique et inclinée : le cœur. La durée de vie de cette spirale n'est pas la même que le cœur, suggérant que les processus qui créent la spirale sont périodiques. <br />De plus, la structure du cœur est stable à grande échelle sur près d'un an, mais est très instable sur une plus courte échelle spatiale et temporelle, ce qui s'explique par des interactions multiples avec le satellite Prométhée et des satellites éphémères. Grâce à la meilleure caractérisation de la géométrie du cœur, j'ai pu montrer que ces satellites éphémères croisent plusieurs fois par an l'orbite du cœur, ce qui pourrait expliquer la courte durée de vie de ces petits objets (~ 10 km) d'une part et leur rôle dans la création de la structure spiralée d'autre part.<br /><br />La seconde partie est consacrée à la photométrie des anneaux de Saturne et à une surbrillance particulière observée lorsque le Soleil et l'observateur sont alignés : l'effet d'opposition. Cette surbrillance a été observée dans les anneaux principaux pour la première fois en 1878 par Müller, et est demeurée jusqu'à présent profondément mystérieuse. L'utilisation de modèles préexistants couplant l'optique géométrique et l'optique quantique (grâce à la théorie de la rétro-diffusion cohérente qui a valu à Philip Anderson le Prix Nobel de Physique en 1977) a permis de comprendre une partie de l'effet d'opposition dans les anneaux de Saturne. J'ai pu toutefois démontrer que cinq hypothèses généralement admises sur le masquage des ombres et la rétro-diffusion cohérente sont inexactes, ce qui souligne les insuffisances des modèles actuels de l'effet d'opposition. <br />Enfin, grâce à la qualité et la diversité des observations de Cassini, j'ai pu obtenir des informations sur la nature et l'état de surface des particules des anneaux. Pour la première fois, à l'aide d'inversion des courbes de phase avec des modèles photométriques analytiques, l'albédo, l'anisotropie, la rugosité macroscopique, la taille effective des grains et des particules ont pu être déterminées et corrélées avec la profondeur optique des anneaux. Ces valeurs montrent d'une part que les anneaux de Saturne possèdent une gamme de comportements photométriques plus large que celle de tous les objets planétaires réunis. D'autre part, la perspective d'expliquer ces comportements photométrique via la dynamique semble être une issue incontournable. Des simulations photométriques et dynamiques futures devraient permettre d'aller dans ce sens.

La présente thèse décrit l'application de la sismologie aux astéroïdes à travers deux objectifs principaux : évaluer le comportement d'un astéroïde suite à une excitation sismique et proposer des hypothèses justifiant le déficit en petits cratères observé sur l'astéroïde 433 Eros. Cet astéroïde, imagé par la sonde NEAR durant l'année 2000-2001, montre une surface constituée de régolite (roche inconsolidée, broyée par les impacts) et déficitaire en petits cratères de taille inférieure à 200 m environ. Le premier objectif a consisté, après une étude préliminaire sur les modes propres (e.g., Lognonné et Clévédé, 2002) de petits modèles d'astéroïdes sphériques, à simuler les vibrations de modèles 2-D et 3-D de l'astéroïde Eros soumis à une source sismique grâce à la méthode des éléments spectraux. Cette méthode consiste à approximer la solution de l'équation d'onde sur un maillage de l'objet étudié (e.g., Komatitsch et Tromp, 1999). Les simulations de propagation d'onde effectuées sur les divers modèles de l'astéroïde Eros suggèrent un rôle important de la couche de régolite en tant que guide d'onde à l'origine d'une amplification des signaux sismiques en surface. De même, pour une étude des signaux enregistrés en surface de l'astéroïde, la présence d'une couche de régolite semble occulter l'effet d'une structure interne (tel un réseau de fractures). Le second objectif de la thèse consiste à expliquer le déficit en petits cratères observé sur l'astéroïde 433 Eros. La simulation du rebouchage des cratères par recouvrement des débris d'impacts permet d'expliquer une partie du déficit en petits cratères mais pas tout (Blitz et al., 2009). Nous avons donc simulé le rebouchage des cratères par les glissements de terrains sur les bords des cratères déclenchés par les vibrations résultant des impacts (Richardson et al., 2005) à partir de simulations de propagation d'onde effectuées dans un modèle 3-D de l'astéroïde Eros. L'action simultanée de ces deux moyens d'érosion permet de simuler une population de cratères semblable à celle observée sur Eros pour un temps d'exposition aux impacteurs de la Ceinture Principale d'Astéroïde d'environ 600 Ma.

Les techniques de télédétection sont aujourd'hui largement mises en œuvre pour l'exploration des surfaces planétaires, appelées régolites, telles que la Lune, Mercure, Mars ou les astéroïdes. La photométrie est une technique basée sur l'observation d'une surface sous des angles variés qui renseigne sur les propriétés physiques de surface : mode de diffusion des particules (diffusant vers l'avant ou rétrodiffusant), granulométrie, rugosité de surface, degré de compaction... Cette thèse est centrée sur les matériaux volcaniques et les phases amorphes (ou verres), en raison de leur importance dans les processus responsables de la formation et de l'évolution des régolites : volcanisme, cratérisation, interaction avec l'environnement spatial. À l'aide du modèle photométrique de Hapke, dont les paramètres, une fois inversés, permettent de remonter aux propriétés physiques de surface, ce sujet est exploré sous deux approches : en laboratoire et à partir de données orbitales. Les mesures multiangulaires expérimentales, réalisées avec le spectro-imageur de l'IRAP, ont permis la caractérisation photométrique de différents matériaux volcaniques granulaires naturels ayant des compositions, tailles de grains et des teneurs en verre et monocristaux variées : basaltes, sable volcanique, pyroclastiques, olivine, et verre issu de la fusion contrôlée de basalte. Suivant leur composition, formes et textures, une évolution des comportements photométriques des échantillons en fonction de la granulométrie a été notée. Les matériaux riches en verre frais et/ou monocristaux présentent un comportement spécifique peu observé jusqu'alors, ce qui permet de les distinguer des matériaux sans verre ou contenant du verre plus mature. Des mélanges basalte/verre basaltique ont également permis de mettre en évidence l'influence optique très forte et non linéaire du verre frais. Une étude photométrique du cratère lunaire Lavoisier à partir de données orbitales a montré l'applicabilité des techniques mises en œuvre en laboratoire sur des unités géologiques, et des caractéristiques photométriques propres aux dépôts pyroclastiques situés sur le plancher du cratère ont été déterminées. Un autre dépôt pyroclastique au niveau du cratère Lavoisier F montre un comportement photométrique distinct des pyroclastiques du cratère Lavoisier, témoignant d'une variété texturale, granulométrique ou compositionnelle entre ces unités. L'ensemble des résultats obtenus sur ces cratères apparaît cohérent en regard des expériences réalisées en laboratoire.

La dynamique long-terme (107 ans) des surfaces cratoniques, qui constituent la majorité des domaines continentaux, est étudiée dans cette thèse à partir de la spatialisation de paléo-surfaces préservées en Afrique de l'Ouest (4 x 106 km2) depuis l'Eocène. Il est montré que le drainage ouest africain (Niger, Volta) était établit il y a 24 Ma. Depuis, les profils longitudinaux des rivières ont peu évolué. Leurs knickzones majeures se sont stabilisées, influencées par la lithologie. La déformation de ces profils a permis de détecter des mouvements épirogéniques. Dans les zones les plus stables, la dissection du paysage montre l'augmentation du relief depuis 11 Ma malgré de faibles taux d'érosion (~ 2 m/Ma). Cette approche a été appliquée en prospection minière pour détecter des minéralisations masquées par les cuirasses latéritiques et/ou identifier la redistribution d'indices par érosion. Les bilans d'érosion ont été évalués depuis le pic d'effet de serre éocène. La distribution spatiale de la dénudation en carte semble traduire des mouvements verticaux. Les volumes ont été précisés en incluant la porosité et la densité du régolite dénudé. Une première mise en relation est faite entre volumes érodés et déposés pour le cas du Niger. Si une corrélation est montrée pour l'intervalle éocène-miocène supérieur, le volume déposé durant la période récente est bien supérieur à l'estimation du volume érodé. Malgré l'évolution du climat, le taux de dénudation moyen à l'échelle de l'Afrique de l'Ouest est resté constant depuis 45 Ma (~ 6,5 m/Ma). Le bilan ouest africain, appliqué aux zones non-orogéniques, impliquerait un flux global vers les océans d'environ 2 Gt/an pour ces zones.