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Les comètes

La queue (III)

C'est à l'approche du Soleil, lorsque la surface de la comète se réchauffe, que les glaces se subliment dans le vide entraînant les poussières du noyau. La comète devient alors visible.

Ce n'est pas le déplacement de la comète qui crée sa queue. C'est le vent solaire et la pression de radiation solaire qui éloignent les particules émises par le noyau de la comète à des vitesses qui dépendent de la masse atomique des particules. Tandis que la vapeur d'eau très légère reste confinée dans la coma, les particules plus massives sont entraînées par la pression de radiation solaire dans la direction opposée au Soleil, formant une queue plus ou moins longue et incurvée. A l'inverse, la queue ionique (voir plus bas) étant très légère, elle s'éloigne rapidement et apparaît toujours longue et rectiligne.

La queue de poussières s'étend en général sur 5 à 15° dans le ciel, mais elle peut-être beaucoup plus étendue. En l'an 837, Halley s'étendait sur 97° et la comète de 1861 atteignit 118° ! La queue s'étend en général sur 1 million de kilomètres mais en 1965 Ikeya-Seki s'étendit sur 45° soit 500 millions de kilomètres. Cela représente plus de 3 fois la distance qui nous sépare du Soleil !

Ikeya-Seki

Hale-Bopp

Lovejoy

A gauche, le 30 octobre 1965, la queue de la comète Ikeya-Seki, torsadée par le vent solaire, s'étendit sur 18° ou 200 millions de km avec un maximum de 45° soit 500 millions de km et atteignit la magnitude apparente de -10 ! Au centre, la queue multiple de la comète Hale-Bopp. Elle présentait au moins sept composantes distribuées en éventail en ce 4 octobre 1996. A droite, la comète Lovejoy (C/2011 W3) photographiée le 23 décembre 2011 depuis la Nouvelle Zélande. A comparer avec cette photo prise le 22 décembre 2011 par Dan Burbank depuis la station spatiale ISS. Documents Mike Jewell, David Hanon et Minoru Yoneto.

L'aspect d'une comète dans le ciel est avant tout lié à un effet de perspective et des positions relatives des différents corps. Si la comète semble se diriger vers la Terre, sa queue sera à peine visible et apparaîtra en éventail. A l'inverse, près du Soleil, si la comète forme un angle important avec la Terre, la queue se détachera dans le ciel dans toute sa splendeur, formant un sabre lumineux ou une belle épée un peu diffuse selon les conditions du moment.

Les comètes étant principalement constituées de glace d'eau, elles commencent à se sublimer vers 1.5 UA, lorsqu'elles franchissent l'orbite de Mars et que la température de leur surface remonte vers 0°C. Elles peuvent toutefois être visibles à de plus grandes distances, selon qu'elles contiennent plus ou moins d'autres gaz dont voici les seuils de fusion et d'ébullition à pression ambiante (en °C sous 1 atm), sachant toutefois que dans le vide de l'espace le passage de l'état solide à celui de gaz et inversement s'opère généralement par sublimation (rappelons que pour l'eau le point triple se situe à 6.1 mb pour 0°C) :

Molécule

Fusion

Ebullition

Molécule

Fusion

Ebullition

Eau, H2O :

   0

100

Ethane, C2H6 :

-183.3

-88.7

Acide cyanhydrique, HCN :

-13.3

25.7

Méthane, CH4 :

-182.5

-161.6

Cyanure de méthyl, CH3CN

- 45.7

81.6

Monoxyde de carbone, CO :

-205

-191.5

Dioxyde de carbone, CO2 :

-78.5

31.1

Azote, N2 :

-209.9

-195.8

Ammoniac, NH3 :

-77.7

-33.4

Air, N2 + O2 + Ar :

-213.4

-194.5

Formaldéhyde, H2CO :

-92

-20

Hydrogène, H2

-259

-252.8

Consultez également le tableau des propriétés des principaux éléments chimiques qui reprend le poids moléculaire, les températures de fusion et d'ébullition, la chaleur latente, etc, de quelques substances connues.

Les queues des comètes ne sont pas toutes identiques et se différencient principalement par leur constitution. L'astronome russe Fédor Brédikin a défini trois types de queues cométaires :

- Le Type I : il s'agit de la queue ionique. Elle est bleutée (pic à 420 nm) et rectiligne, bien que parfois légèrement hors de l'axe de la comète. Elle est constituée de plasma. A l'approche du Soleil les gaz neutres sont excités par les photons UV et perdent leurs électrons, c'est le phénomène de fluorescence. Le gaz ainsi ionisé est électroniquement chargés, (CO+ par exemple) et devient sensible aux lignes de force du champ magnétique solaire transporté par le vent solaire.

La forme de la queue ionique s'explique par la formation d'une onde de choc. A l'intérieur de ce front l'écoulement du vent solaire est freiné par l'atmosphère de la comète et produit des turbulences qui prennent l'aspect de cordes, de noeuds et de filaments qui différencient la queue ionique de la queue de poussières. En dehors du front les ions associés à la comète sont entraînés par l'écoulement général, guidés par les lignes de force engendrées par le noyau en mouvement. Les ions s'échappent ainsi de la coma pratiquement dans la direction anti-solaire en formant une longue queue distincte.

Classification des queues cométaires

Tout point de la projection du rayon vecteur de la comète sur la sphère céleste vérifie l'équation :

où,

α, δ = coordonnées de la projection

αo, δo= coordonnées du Soleil à cet instant

α, δ1= coordonnées de la coma.

Si la Terre n'est pas trop près du plan de l'orbite d'une comète nous pouvons déterminer le type de queue sur base de la classification de Fédor Bredikhine selon que la queue de la comète est confondue avec le rayon vecteur sur la sphère céleste, s'en écarte légèrement lorsque sa longueur est suffisante ou s'en écarte très fort en s'incurvant. Document T.Lombry.

Pourquoi cette queue ionique est-elle bleue ? C'est parce que l'ion CO+, le plus abondant, disperse plus la lumière bleue que la lumière rouge que cette queue nous apparaît bleue.

Cette queue ionique évolue dans le temps. Des hétérogénéités ont été observées, se déplaçant le long de la queue à des vitesses de 10 à 100 km/s. Leur présence est liée au champ magnétique du Soleil. Tournant sur lui-même, le Soleil engendre un champ magnétique qui se propage dans l'espace, non pas de façon rectiligne mais en formant des spirales.

Toutes les régions du système solaire baignent dans ce champ magnétique mais ne sont pas toutes polarisées dans une même direction; localement le vent solaire souffle dans une direction particulière. En traversant ces régions, la queue ionique des comètes subit une perturbation qui crée une discontinuité dans la queue. Telles des irrégularités, ces condensations s'éloigneront petit-à-petit, jusqu'à disparaître au bout de quelques jours. En 1986 Halley présenta de telles structures. En deux semaines une nouvelle queue ionique se reforma mais elle ne retrouva pas sa splendeur antérieure.

Cette queue contient des ions "cométaires", c’est-à-dire un spectre d’éléments que l’on retrouve régulièrement dans les comètes : H2O+, CO+, CO2+, OH+, N+ et beaucoup plus près du noyau des ions H2+, O+, S+. Plusieurs de ces molécules ionisées présentent également des charges négatives mais elles sont rapidement neutralisées par le rayonnement solaire. Après le passage au périhélie et la sublimation des couches extérieures glacées du noyau, des particules organiques neutres sont dispersées, telles les molécules OH, HCN, CH3 CN, NH2, NH, C2, C3, CO, CN, CH et des métaux MnI, FeI, Si. Leur durée de vie avant dissociation n'est que de quelques heures sous 1 UA.

Pour Halley, on a évalué le parcours d'une molécule d'eau avant dissociation à environ 39000 km. Sous l'effet du rayonnement ultraviolet solaire les chaînes moléculaires se cassent et des atomes ou des molécules plus simples subsistent quelques jours : H, C, O, N, OH.

Trois célèbres comètes présentaient une queue ionique très étendue : Ikeya (1963 I), Halley en 1910 et en 1986 ainsi que Humason (1962 VII) dont le noyau libéra très peu de poussières.

Flamboyantes visiteuses du mois de mars

Quelques unes parmi les comètes les plus célèbres sont passées au périphélie aux alentours du mois de mars. C'est une bonne époque car les nuits sont encore assez longues pour profiter pleinement de l'obscurité durant 8 heures, tandis que les belles photographies prises à l'aube (5h TU) ou au crépuscule (18h TU) tombent à une heure accessible à tous. Sans oublier la comète Hale-Bopp en mars 2000 et Bradfield en mars 2004, voici quatre autres comètes tout aussi spectaculaires qui furent fidèles à leur rendez-vous martial.

West 1975

Halley 1986

Hyakutake 1996

Hale-Bopp 1997

Le 9 mars 1975 la comète West présenta une chevelure extrêment brillante que l'on observa durant plus d'un an. Photographie réalisée par John Laborde depuis l'observatoire de Tierra Del Sol de San Diego avec téléobjectif Nikon de 135 mm, pose de 30 minutes, suivi stellaire. West repassera dans... 250000 ans.

Le 13 mars 1986, comme prévu depuis des millénaires, la comète de Halley est de retour à la magnitude 4.9 Localisée dès 1983, on l'observa encore en mars 2003 au VLT de l'ESO au Chili. Cette photographie a été réalisée par Akira Fujii avec une chambre Schmidt de 200 mm f/1.5 le jour où la sonde Giotto photographia son noyau en haute résolution. Elle repassera en 2061.

Le 24 mars 1996 la comète Hyakutake s'approcha à 15 millions de kilomètres de la Terre, développant une queue qui s'étendit sur 70°. Photographie réalisée par Chuck Vaughn avec un téléobjectif de 350 mm f/2.8, guidage sur le noyau. Elle repassera dans 14000 ans !

Le 27 mars 1997 la comète Hale-Bopp illumina le ciel. Dix fois plus étendue et dynamique que Halley à la même distance, Hale-Bopp restera cependant à plus de 1.32 UA de la Terre. Photographie réalisée par Gerald Rhemann avec une chambre Schmidt de 255 mm f/1.7. Pose de 8 minutes sur film Kodak Gold 400, suivi stellaire. Elle repassera en 2374.

- Le Type II : il s'agit de la queue cométaire typique que nous connaissons tous, une seconde queue épaisse, bien visible sur West en 1975 et 76, Halley en 1986 et Hale-Bopp en 1997. Composée de poussières jusqu'à un centième de millimètre de diamètre, elle diffuse la lumière solaire. Elle apparaît blanche ou jaune-orangée parce que les grains de poussières réfléchissent un peu plus les grandes que les courtes longueurs d'ondes de la lumière.

Chacun de ces grains de poussière orbite individuellement autour du Soleil mais tous sont entraînés par le flux général du gaz en expansion issu de la coma qui s'échappe du noyau. Sous l'effet de la pression de radiation du Soleil, ces grains subissent un peu moins l'attraction solaire que le noyau si bien qu'à mesure que la comète évolue autour du Soleil sa queue s'incurve, s'épaissit, s'enroule et se torsade, se distinguant de la queue ionique bleutée qui reste rectiligne. Les plus grosses particules qui atteignirent la sonde spatiale Giotto qui traversa la queue de Halley pesaient 44 mg.

Grains de poussières

Un agglomérat de grains de poussières interplanétaire de 10 microns. La taille individuelle des grains oscille entre un millième et quelques centièmes de millimètres.

A l'image du noyau des comètes dont elles sont issues (dessin de droite à agrandir) ces poussières sont constituées d'un noyau de silicate entouré d'un manteau de composés organiques réfractaires (orange) et de petites particules de carbone de quelques centièmes de microns (points noirs).

Dans un nuage moléculaire ces poussières sont recouvertes de glaces diverses mêlées de particules de carbone, d'aspect probablement similaire au modèle de Greenberg présenté à gauche.

Documents Univ.Paris XII et T.Lombry.

Lors de son survol de "Chouri" en 2014 dont la période est de 6.44 ans, la sonde Rosetta découvrit que la comète libérait deux fois plus de poussières que de gaz. En s'approchant au plus près du Soleil (entre 4 et 3 UA), cette comète libère entre 60 et 220 kg de poussières par seconde.

Sa queue de poussières contenait principalement de la vapeur d'eau. Rosetta a également identifié des gaz comme l'ammoniac, le méthane et le méthanol ainsi que des traces de formol, de sulfure d'hydrogène, d'acide cyanhydrique, de dioxyde de soufre et de sulfure de carbone.

Enfin, la sonde Rosetta a détecté des traces de sodium, de magnésium et de fer dans les poussières de la coma interne.

Après le passage au périhélie, la matière sublimée provient des régions plus profondes du noyau. On y trouve en abondance des ions C+ et CO+ ainsi que des silicates et des composés organiques. Ces particules peuvent être très fines. Sur Halley certaines poussières ne dépassaient pas 10-14 mg.

Parmi les comètes les plus connues, Mrkos (1957 V), Seki-Lines (1962 III), West (1975 VI) et Swift-Tuttle (1992) présentaient une belle queue de poussières. En 1996, la comète Hyakutake qui passa à 15 millions de kilomètres de la Terre présenta une queue de poussières de 20 millions de kilomètres qui s’étendait sur plus de 70° dans le ciel !

Tant la queue ionique que celle de poussières peuvent exceptionnellement atteindre 100 millions de kilomètres, soit les deux tiers de la distance Terre-Soleil !

- Le Type III : il s'agit de queues anormales ou des anti-queues qui apparaissent parfois dans la direction du Soleil. Elles résultent de conditions particulières de projections géométriques. Lorsque les trajectoires des grains sont très déviées, elles peuvent s'incurver au point de faire demi-tour, apparaissant "en avant" du noyau. Leur longueur peut atteindre 60 millions de kilomètres.

L'anti-queue est composée de grains de poussières relativement gros (plus de 10 microns) qui sont émis longtemps avant le passage au périhélie. Peu affectés par la pression de radiation du Soleil, ils ne se séparent que lentement du noyau. L'anti-queue est très brillante lorsque la Terre se situe exactement dans le plan de l'orbite de la comète. Elle est toujours plus faible que la queue principale et peut apparaître courbée ou hérissée, floue et offrant un panache étendu.

Les comètes de Arend-Roland (1957), Kohoutek (1973) et West (1975 VI) présentaient ces anti-queues.

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