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       - Aux confins du système solaire  
    Hors série - Science & Vie - 1996-09-01      
    Au-delà de Neptune et Pluton, l'espace n'est pas vide : en témoignent les nombreuses comètes venues des confins de notre système solaire. A ce jour, 36 objets transneptuniens ont été répertoriés. Ils seraient des milliards …  
    Neptune, la plus lointaine des planètes géantes, fut révélée au siècle dernier, grâce aux calculs de Le Verrier et Adams. Les premières recherches systématiques du XX siècle n'ont rapporté que Pluton. Une planète de piètre figure comparée à ses grandes soeurs. De par sa petite taille, elle se rangerait plutôt du côté des astéroïdes ou des satellites de planètes géantes. Son orbite excentrée semble presque nous montrer la fin proche de la belle organisation képlérienne. Pourtant, après les seuils de Neptune et Pluton, l'espace n'est pas totalement vide …  
    De grands voyageurs nous parviennent de ces régions lointaines les comètes. Lorsqu'elles s'approchent du Soleil, les glaces de leurs noyaux s'évaporent, et ces astres développent spectaculairement chevelures et queues. Leurs visites régulières sont en nombre limité. En effet, les glaces qu'elles contiennent s'épuisent au bout de quelques milliers de passages dans le système solaire interne. Cependant, nous pouvons toujours observer de nouvelles comètes. Il existe donc un réservoir, quelque part aux confins de notre système solaire.  
    Il y a une cinquantaine d'années, l'astronome néerlandais Jan Oort (1900-1992), étudie les orbites d'une vingtaine de comètes. Dotées d'une longue période, elles fréquentent des régions éloignées du système solaire. En tenant compte des perturbations dues aux planètes géantes, Oort montre que l'origine de ces astres est une région située entre 40'000 et 100'000 Unités astronomiques (UA) du Soleil. Les comètes stockées dans cette région n'en seraient délogées que sous l'influence de perturbations gravitationnelles dues aux étoiles les plus proches.  
    Les puissants moyens de calculs actuels permettent de simuler l'évolution des trajectoires des comètes à longue période. En reproduisant statistiquement le flux des comètes nouvelles qui nous parviennent, il a été possible de confirmer l'existence de cet hypothétique réservoir maintenant connu sous le nom de "nuage de Oort" - et d'en préciser les caractéristiques.  
    Ce réservoir serait une couche sphérique, qui s'étend de quelques milliers à environ cent mille UA. Il comporterait 1012 à 1013 comètes, d'une taille supérieure à 2 km, et probablement beaucoup plus d'objets plus petits. Sa masse totale serait de l'ordre de quelques dizaines de fois supérieure à celle de la Terre. Le nuage de Oort serait donc un constituant majeur du système solaire.  
   

L'hypothèse de Kuiper

 
    Si l'existence du nuage de Oort parait parfaitement expliquer l'origine des comètes à période longue ou courte - comme la comète de Halley un doute subsiste néanmoins pour toute une classe de comètes : les membres de la "famille de Jupiter". Elles possèdent des périodes comprises entre 6 et 20 ans et ont toutes des orbites proches du plan de l'écliptique. Selon les calculs, elles auraient une origine différente. Pour l'expliquer, l'astronome américain Gerard Kuiper (1905-1973), a postulé, dès 1930, l'existence d'un autre réservoir, beaucoup plus proche que le nuage de Oort. Il serait confiné à un anneau situé dans le plan de l'écliptique, un peu au-delà de Neptune. Nous l'appelons actuellement la "ceinture de Kuiper".  
    Si les objets du nuage de Oort sont trop lointains pour que l'on puisse espérer les détecter, il en est autrement pour ceux de la ceinture de Kuiper. La chasse trausneptunienne a donc été rapidement ouverte parmi les astronomes. Ses premiers succès, cependant, n'ont été obtenus que très récemment. Ils comptent indubitablement parmi les découvertes majeures de notre système solaire.  
    Nous les devons-en grande partie à David Jewitt et Jane Luu. La réussite de ces chercheurs tient à l'emploi systématique de détecteurs CCD en remplacement des plaques photographiques. Ces détecteurs à transfert de charge sont plus sensibles et permettent une meilleure lecture des images. C'est au foyer de l'un des grands télescopes, au sommet du Mauna Kea à Hawaii, que fut découvert, en août 1992, le premier objet de la ceinture de Kuiper : "1992 QB1" . L'objet "1993 FW", découvert en mars de l'année suivante, fut suivi de quatre autres, puis de douze en 1994. La progression est allée bon train. Fin juin 1996, pas moins de 36 objets étaient à mettre au tableau de chasse des, chercheurs. Leurs magnitudes se répartissent entre 21,5 et 23,5, des valeurs très proches de la limite de performance des instruments terrestres.  
    Découvrir de tels objets n'est donc pas une tâche facile. La recherche s'effectue au moment de la nouvelle Lune, dans la direction contraire au Soleil - "l'opposition", dans le jargon des astronomes. La vitesse de déplacement de ces objets par rapport aux étoiles est alors maximale. On les repère suivant une méthode désormais classique on compare des images prises des instants différents. Les moyens informatiques de traitement d'image facilitent bien ce repérage. On se souvient que pour découvrir Pluton et de nombreux astéroïdes, on utilisait la méthode purement optique du "blinking …. les deux plaques photographiques, rapidement superposées devaient permettre de distinguer, parmi les millions de points lumineux, ceux qui correspondaient au mouvement recherché; une véritable performance  
    Cependant, gardons-nous de confondre ces objets avec de vulgaires astéroïdes de la ceinture principale. Ces derniers sont faciles à repérer car ils orbitent entre Mars et Jupiter et se déplacent beaucoup plus vite que les objets transneptuniens. Les vrais ennemis de ce type de recherche sont les galaxies. Abondamment présentes dans tous les champs du ciel, elles possèdent une brillance similaire aux objets de la ceinture de Kuiper.  
   

La nomenclature des objets célestes

 
    La dénomination des astéroïdes et des objets de la ceinture de Kuiper suit des lois strictes établies par l'Union astronomique internationale. Une "immatriculation" provisoire leur est attribuée à leur découverte. Elle prend en compte la date, l'heure, mais aussi l'ordre de découverte. Y figurent l'année, la quinzaine dans l'année (symbolisée par une lettre), l'ordre de la découverte dans cette quinzaine (traduite par une lettre, et, comme l'alphabet est vite épuisé, suivie par le nombre de parcours de l'alphabet). Ainsi, "1992 QB1 "fut le 28e objet (B1) découvert pendant la 14 quinzaine (Q) de l'année 1992. Si on peut ensuite attribuer une orbite précise à ces objets, on leur attribue un numéro, une "immatriculation" définitive. Le découvreur est alors autorisé à leur donner un nom. C'est ainsi que l'objet de dénomination provisoire "1992 AD" est par la suite devenu le corps "5145", baptisé "Pholus". Les objets de la ceinture de Kuiper n'ont encore ni numérotation définitive, ni nom.  
    Après la découverte, déjà extraordinaire, de tels objets, le travail n'est pas terminé. Il faut faire d'autres observations pour calculer leur orbite avec précision et permettre de prédire leur position pour des observations futures. Mais la tâche est aussi ardue que celle engagée pour leur traque. Pourtant, elle vaut bien la peine d'être accomplie : faute de l'avoir effectuée, quelques-uns des premiers objets transneptuniens découverts ont bel et bien été perdus.  
    Les objets transneptuniens actuellement répertoriés sont situés entre 35 et 50 UA du Soleil. Leurs périodes de révolution sont de l'ordre de 250 ans. Leur nature physique reste encore imprécise : l'extrême faiblesse de leur éclat interdit encore d'en observer le spectre. On sait cependant qu'ils sont rouges, comme les noyaux de comètes.  
    L'éclat, même faible, de ces objets permet d'en estimer la taille, à condition, cependant, que l'albédo de leur surface soit connu. Ce paramètre n'est pas encore directement accessible, on s'en doute. Une hypothèse légitime est de l'estimer à une valeur voisine de celle des noyaux de comètes, soit environ 4%. Cela conduit à des diamètres de 100 à 300 km pour les objets connus. Les autres, ceux qui nous échappent encore, devraient être d'une taille inférieure : les petits objets sont attendus en plus grand nombre.  
    Ces petits objets transneptuniens ont peut-être été observés à l'occasion d'une autre approche : celle entreprise avec le télescope spatial Hubble, par l'équipe américaine de Anita Cochran. Les expositions successives d'un même champ profond du ciel ont en effet permis la détection d'une trentaine d'objets, dont le déplacement pourrait correspondre à celui des corps transneptuniens. Leur éclat apparaît cent fois plus faible que celui des objets détectés par la méthode "traditionnelle". Ce qui correspond à des diamètres de l'ordre de 10 km, la taille du noyau de la comète de Halley.  
    Aucun suivi astrométrique n'a été possible. Ni les distances, ni les orbites précises n'ont donc pu être déterminées. Même si bon nombre d'entre elles pourraient bien n'être que des artefacts, les observations de l'équipe américaine ont, au moins, un intérêt statistique.  
   

La ceinture de Kuiper en chiffres

 
    Une statistique porte sur les sept premiers des objets transneptuniens découverts. Elle aboutit à une estimation d'environ 35'000 corps de plus de 100 km gravitant entre 30 et 50 UA du Soleil. De là, on pourrait estimer la masse de l'ensemble de ces corps à seulement trois millièmes de celle de la Terre. Cependant, la masse totale de la ceinture de Kuiper est sûrement bien supérieure. En effet, nous n'avons encore que peu d'informations sur les objets plus petits ainsi que sur ceux qui pourraient se trouver à plus de 50 UA.  
    Pluton, à une distance du Soleil de 49,3 UA, empiète largement sur le domaine des objets de la ceinture de Kuiper. Avec son orbite très excentrique, son diamètre de 2'300 km et son satellite Charon presque aussi gros qu'elle, Pluton est bien différente des planètes de la périphérie de notre système. Il semble plus réaliste de la considérer comme un gros astéroïde, ou mieux, comme le plus important et le premier objet de la ceinture de Kmper. De plus, on remarque qu'une grande partie des corps connus de cette ceinture - D. Jewitt et J. Luu les ont baptisés "Plutinos" - ont une période orbitale très proche de la période de Pluton, de 247 ans. Cette période ne semble pas relever du hasard : Pluton et les Plutinos font deux tours autour du Soleil quand Neptune en fait exactement trois. Cette coïncidence est, en réalité, un phénomène de résonance. De telles orbites permettent d'éviter des passages trop proches de Neptune. Car si tel était le cas, celle-ci rejetterait le Plutinos aventureux sur une autre orbite.  
    Les grosses planètes du système solaire éliminent systématiquement les plus petites lorsqu'elles empiètent sur leur "domaine". Seules les familles d'objets gravitant sur des orbites stables restent en place. Ainsi en est-il des astéroïdes de la ceinture principale située entre Mars et Jupiter et des objets de la ceinture de Kuiper.  
   

Les Centaures

 
    Entre ces deux ceintures, certains astéroïdes présentent une trajectoire s'aventurant au-delà de Saturne. Ceux-ci sont appelés "Centaures". Le premier connu fut Chiron, découvert en 1977, et baptisé du nom d'un Centaure de la mythologie grecque. Il gravite entre 19 et 8,5 UA du Soleil et possède un diamètre de 180 km. Son albédo relativement élevé (0,15) et sa couleur bleue suggèrent qu'il pourrait être recouvert de glace.  
    Chiron se fit d'abord remarquer par une augmentation anormale de son éclat. Par la suite, ses images révélèrent une légère nébulosité et même une amorce de queue à l'évidence, cet astéroïde présentait toutes les caractéristiques d'une comète !  
    D'autres objets semblables à Chiron ont été découverts. Pholus, autre Centaure mythologique, est le plus rouge du système solaire après Mars. Il fut rejoint par "1993 HA2" puis par "1994 TA", "1995 DW2" et "1995 GO". A part Chiroh, ces objets n'ont montré, à ce jour, aucune activité cométaire. D'après les calculs de mécanique céleste, leurs orbites sont instables. Elles évoluent, avec les perturbations de Saturne, sur une échelle de temps de l'ordre du million d'années. Peut-être surprenons-nous ainsi d'anciens objets de la ceinture de Kuiper en train de rejoindre les comètes de la famille de Jupiter. Quelle que soit leur provenance, tous ces objets sont, avec ceux du nuage de Oort, des témoins de la formation du système solaire.  
    La composition des objets du systeme solaire lointain  
    Les objets du nuage de Oort et de la ceinture de Kuiper sont probablement restés intacts depuis la formation de notre système planétaire. Ils sont donc susceptibles de nous confier de précieuses informations sur son origine et son évolution. A ce titre, leur composition représente la pièce maîtresse de cette reconstitution. L'analyse directe de la matière cométaire par la spectroscopie des comètes s'est considérablement développée ces dernières années. Nous avons notamment gagné un accès aux domaines ultraviolet, infrarouge, ainsi qu'à celui des ondes radio.  
    Après les sondes soviétiques Vega I et Vega 2, la sonde Glotte, lancée par Ariane I, le 2 juillet 1985, s'est approchée du noyau de Halley à 540 km, le 13 mars 1986.  
    Les missions spatiales envoyées vers la comète de Halley emportaient des spectromètres de masse qui ont permis d'en analyser la matière. Depuis la Terre, on a tout récemment obtenu des résultats déterminants sur la comète Hyakutake lors de son passage très près de notre planète. Bientôt, la comète Hale-Bopp, cent fois plus brillante que la comète de Halley, devrait devenir très spectaculaire lorsqu'elle se rapprochera du Soleil, en avril 1997. Des résultats très intéressants sont attendus.  
    Nous savons maintenant que les comètes sont composées essentiellement de glace d'eau, de monoxyde et dioxyde de carbone, de formaldéhyde, de méthanol, d'hydrocarbures (méthane, acétylène et éthane ont été identifiés dans la comète Hyakutake) et d'ammoniac. A cela, viennent s'ajouter des traces d'acide cyanhydrique, de sulfure d'hydrogène et de quelques autres composés.  
    Il ne fait aucun doute que cette liste n'est pas exhaustive. Afin de la préciser davantage, l'Agence spatiale européenne est en train de construire Rosetta, une sonde spatiale qu'elle devrait lancer en 2003. Rosetta devra rencontrer Wirtanen, une comète de la famille de Jupiter, sans doute échappée de la ceinture de Kuiper, il y a quelques millions d'années. Ce sera alors l'occasion d'affiner nos connaissances sur la nature physique et chimique de ces corps.  
                  
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