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Définition d'une planète

Ecrit en collaboration avec Michael E. Brown de Caltech, dessins planétaires de T.Lombry

Introduction

Qu'est-ce qu'une planète ? Jusqu'en 2006 l'Académie Nationale des Sciences américaine définissait une planète comme étant un corps de moins de 2 masses joviennes gravitant autour d'une étoile. Mais cette définition sous-entendait que tous les petits astéroïdes devaient être considérés comme des planètes, or ce n'est pas le cas... Suite à cette confusion, en 2003 Sedna fut temporairement décrétée comme la 10eme planète du système solaire puis perdit son titre... Comment une planète peut-elle ainsi voir son titre usurper ?

Cela vient du fait que jusqu'en 2006 il n'existait pas de définition scientifique du mot "planète". Pour le dictionnaire il s'agit d'un "objet céleste compact, dépourvu de réactions thermonucléaires, gravitant autour du Soleil ou, par extension, d'une étoile". On peut donc en conclure par extension que tout corps céleste inférieur à deux masses joviennes et ne produisant pas sa propre lumière est une planète.

Si nous prenons l'exemple de la Terre, effectivement elle est 317 fois plus légère que Jupiter et ne fait que réfléchir la lumière qu'elle reçoit du Soleil. Jupiter en revanche émet 2.5 fois plus de rayonnement qu'il n'en reçoit mais il n'agit pas de lumière. Ouf ! C'est donc bien une planète. 

Mais qu'est-il advenu de Sedna qui usurpa un temps le titre de 10eme planète ? Elle répond pourtant aux mêmes critères mais les astronomes l'ont exclue du club fermé des planètes. Notre définition manque donc clairement de précision.

La question serait-elle liée à la taille minimale de l'astre ? Pas uniquement. De quelles propriétés peut-il s'agir ? Je vous laisse y réfléchir quelques secondes.

D'un autre côté nous n'avons pas réellement besoin d'une définition car ce mot est tellement commun que même un enfant en âge de raison comprend très bien de quoi il s'agit et fait bien la distinction entre une étoile et une planète. Mais tout astronome a besoin  de construire une définition scientifique qui peut s'avérer parfois assez éloignée de la définition communément admise.

Quatre définitions

Nous allons devoir faire une distinction entre la signification populaire du mot "planète" et tout le charroi historico-culturel qu'elle véhicule et sa définition purement scientifique. Michael Brown et ses collègues de Caltech, très impliqués dans la découverte des KBO ont trouvé 4 définitions du mot "planète", allant du plus simple mais non moins rigoureux au plus complexe :

1. Point vue purement historique. Mercure, Vénus, la Terre, Mars, Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune et Pluton sont des planètes et aucune autre de plus. Mais confrontée aux scientifiques, cette définition échoue lamentablement à définir son objet d'étude. En effet, que devons-nous faire si un jour nous découvrons une planète plus grosse que Pluton ?

L'astéroïde Cérès (950 km, 0.1% du poids de la Terre, 2.5 U.A.) présente toutes les caractéristiques d'une petite planète raison pour laquelle l'UAI le classa parmi les "planètes naines" en 2006. Doc HST.

Et si nous avons décrété que Pluton est une planète avec ses 2370 km de diamètre, pourquoi Eris qui mesure 2326 km de diamètre n'en serait pas une ou des corps plus petits comme 2007 OR10 alias "Snow White" (1535 km), Quaoar (1280 km) ou Sedna (1000 km) ? Poser des critères de manière aussi arbitraire ne pourra jamais satisfaire personne et certainement pas les astronomes.

2. Historique mis à jour. On peut envisager des raisons historiques tenant compte des dernières découvertes. Dans ce cas Mercure jusque Pluton sont des planètes ainsi que tout nouvel objet plus grand que Pluton. Brown ainsi que la majorité des astronomes acceptent cette définition qui, soi dit en passant, est la définition la plus logique et communément acceptée par le public. C'est ainsi que si Sedna avait été plus volumineuse que Pluton, tout le monde aurait été d'avis de la considérer comme une planète.

Malheureusement cette définition ne résiste pas non plus à une critique scientifique. En effet, pourquoi la taille de Pluton constituerait-elle un seuil ? Y a-t-il une différence de taille si importante entre Pluton (2370 km), 2007 OR10 (1535 km), Quaoar (1280 km) et Sedna (1000 km) pour décréter arbitrairement que la première est une planète et pas les autres ? L'astronome est forcé de répondre non.

3. La sphère gravitationnelle. Tout objet arrondi en raison de sa force gravitationnelle, qui ne produit pas sa propre lumière et qui gravite directement autour du Soleil, et par extension d'une étoile, est une planète. Cette définition est très différente et fait appel à des propriétés physiques. Elle est scientifique, également valide historiquement et par la plus grande coïncidence elle détermine une ligne de démarcation entre les objets arrondis et ceux en forme de "patate" juste un peu plus petits que Pluton. Pourrait-on alors utiliser cette définition et considérer qu'une planète est un astre arrondi qui ne fait que réfléchir la lumière de son étoile ? Dans ce cas nous devons admettre que Sedna et Quaoar ainsi que l'astéroïde Cérès et probablement quelques KBO sont par définition des planètes. Pour Michael Brown si cet amendement est le seul prix à payer pour obtenir une définition qui se base sur de solides arguments scientifiques, il est partant.

Malheureusement, cette définition échoue également face à la question scientifique. Historiquement parlant le critère de sphéricité est apparu suite à une coïncidence. Cérès fut initiallement considérée comme une planète car c'était le seul objet que l'on avait découvert entre Mars et Jupiter. Comme son emplacement obéissait à la loi de Titius-Bode, tout le monde accepta ce nouveau membre comme un fait accompli. Jusqu'au jour où de nouveaux astéroïdes furent découverts et que les astronomes se rendirent compte qu'ils peuplait tout l'espace situé entre les deux planètes. Il s'en fallut de peu que le système solaire contienne dix mille planètes ! De statut de planète Cérès est donc passée à celui de membre de la Ceinture des astéroïdes.

Trois illustrations artistiques d'exoplanètes. Une (exo)planète est reconnaissable au fait qu'elle gravite autour d'une étoile, à sa forme sphérique et le fait qu'elle soit isolée; il s'agit d'un planétoïde. Mais tous les planétoïdes ne sont pas des (exo)planètes, c'est notamment le cas des milliers d'astéroïdes et de KBO.

D'un autre côté, le critère physique à son importance car la sphéricité est étroitement liée à la masse et donc à la taille du corps. Il serait donc intéressant de conserver ce critère qui décrit une classe particulière d'objets du système solaire.

Mais si historiquement toutes les planètes se sont avérées rondes, tout scientifique sait bien que tous les objets ronds ne sont pas des planètes, sans quoi il y aurait des luminaires parmi les planètes... voyez ce que je veux dire (cf la Bible et sa référence au Soleil).

Nous devrions trouver un meilleur mot pour décrire ces objets. Sphéroïdes ? Gravisphères ? Aujourd'hui ces objets n'existent pas dans le cortège planétaire et les astronomes préfèrent utiliser le néologiste "planétoïde" pour décrire un objet rond en orbite autour du Soleil. Toutes les planètes sont des planétoïdes mais tous les planétoïdes ne sont pas des planètes.

4. Les classes de populations. Cette définition du terme "planète" est la plus complexe mais également la plus satisfaisante d'un point de vue scientifique. Une population est un ensemble d'individus appartenant à la même espèce. Dans notre contexte il s'agit d'un ensemble d'objets solitaires partageant les mêmes propriétés. Sachant cela, l'une des populations les plus connues est la Ceinture des astéroïdes. Sa population est localisée dans une zone délimitée de l'espace et contient des corps dans une gamme continue de dimensions allant de l'objet modérément grand (Cérès, 950 km) en passant par la poignée d'objets plus petits (Vesta, Pallas, Hermione, ~550 km) jusqu'à l'immense quantité d'objets extrêmement petits (rochers, particules de poussières). 

Les individus solitaires sont très différents. Dans leur région de l'espace, ils sont soit isolés (comme la Terre) soit font partie d'un ensemble d'objets beaucoup plus petits (par exemples les astéroïdes NEA) sans population continue entre eux, à l'inverse de ce qu'on observe par exemple dans la Ceinture des astéroïdes. La taille entre deux astéroïdes n'est jamais supérieure à un facteur 2. A l'inverse, entre la Terre (12756 km) et disons l'astéroïde Ganymède ( 41 km) qui ère dans la région, la différence atteint un facteur 311 !

De Mercure à Neptune, les planètes font partie des individus solitaires par définition. Pluton et Quaoar n'en font pas partie. Récemment, suite à la découverte des KBO, les planétologues se sont rendus compte que Pluton est de toute évidence membre de la population de la Ceinture de Kuiper car il présente les mêmes caractéristiques orbitales que Quaoar, 2004 DW ou Varuna par exemple qui sont légèrement plus petits.

A gauche, le couple Pluton-Charon (2360 km et 1207 km, distance de 32.9 UA soit 4.77 milliards de kilomètres) photographié le 8 juillet 2015 à 6 millions de kilomètres de distance par la sonde spatiale New Horizons. A droite, illustration de Sedna (1700 km, Distance de 87-900 UA). La première fut considérée comme une planète pour des raisons historiques, avant d'être reclassée parmi les planètes naines. Après quelques hésitations, Sedna fut classée parmi les KBO. Documents JHUAPL et T.Lombry.

Et que devient Sedna ? Ainsi que nous l'avons dit dans l'article qui lui est consacré, comme toute déesse elle réside à part dans son royaume. Sedna est à ce jour la seule représentante connue à cette vitesse orbitale. Les astronomes pensent toutefois qu'ils devraient bientôt découvrir d'autres corps similaires. Michael Brown suggère donc de classer Sedna parmi les membres d'une grande population en devenir telle que les "Objets du Nuage interne de Oort" plutôt que tel un objet solitaire mais certainement pas comme une planète. Cette classification évite de faire marche arrière dans dix ans et de devoir reclasser Sedna lorsque les astronomes découvriront d'autres objets de cette famille !

Etant donné qu'il existe une distinction scientifique claire entre les individus solitaires et les membres des grandes populations, il n'est pas inutile d'inventer des mots pour décrire ces objets.

Nous pouvons décrire les grandes populations de petits corps en fonction de leur population (Ceinture d'astéroïdes, Ceinture de Kuiper, Nuage interne de Oort, Nuage de Oort) tout en sachant très bien qu'il peut y avoir ses sous-ensembles dans ces populations (comme il en a dans tout classement). Que faire des individus solitaires ? N'y a-t-il pas de meilleur mot pour les qualifier que celui de "planète" ?

Commentaires

A la lumière de cette quatrième définition, examinons en détails la description du mot "planète". Tout d'abord, elle n'est pas "pire que la précédente" quoiqu'en disent certains critiques. De fait elle est plus complexe mais elle est scientifiquement plus claire et rassemblera probablement tout le monde autour d'une définition qui ne laisse planer aucun doute sur la nature des planètes.

En effet, notre 4eme définition tient compte des populations. Elle est motivée scientifiquement parlant et bien fondée sur des arguments physiques objectifs. Mais la définition de "gravisphère" l'était tout autant.

Gros-plan sur une terre du ciel habitée.

Existerait-il un fondement historique nous permettant de dire qu'une planète est un objet solitaire qui n'est pas membre d'une grande population ? Oui ! Ainsi que nous l'avons expliqué, historiquement Cérès fut classé parmi les planètes, mais dès que l'on découvrit l'existence d'autres corps ayant des orbites similaires, on changea son statut.

Historiquement, il existe donc une distinction claire entre planètes et populations. Toute définition qui ne permet de faire cette distinction échouera donc devant le verdict de l'Histoire. C'est ainsi que Pluton fut originellement considérée comme un objet solitaire. Avec le temps, de nombreux objets présentant ses caractéristiques ont été découverts et les astronomes réalisent aujourd'hui qu'il fait en réalité partie d'une grande population, celle des KBO. Historiquement donc, en tenant compte des récentes découvertes, Pluton ne devrait plus être considérée comme une planète.

Nous voici donc avec un concept du mot "planète". Tout objet du système solaire peut assez naturellement être classé soit comme individu solitaire soit comme membre d'une grande population. Les individus sont les planètes. Les populations ne sont pas des planètes. Cette définition épouse notre désir historique de distinguer les astéroïdes des planètes et satisfait notre curiosité scientifique.

Aucune méthode de classement n'est parfaite. Une navette spatiale peut être classée à la rubrique Astronautique comme à Transport. On peut toujours imaginer (ou même trouver) des "scénarii pathologiques" comme les qualifie Michael Brown ou notre classification si laborieusement établie échouera.

A l'inverse, les trois premières définitions sont beaucoup plus rigoureuses et ne devront jamais être affinées puisqu'elles excluent à peu près tout pour des raisons on ne peut moins scientifiques !

Une exoplanète gazeuse hypothétique pourvue d'un anneau et entourée de deux satellites.

Mais leurs qualités ne sont pas vraiment des avantages. A mesure que notre connaissance du système solaire s'améliorera, notre langage, tant populaire que scientifique, devra s'adapter afin d'exprimer nos connaissances de la manière la plus précise qui soit. Selon Michael Brown et son équipe, la classification en population suffira pour classer tous les objets que l'on découvrira encore dans le système solaire, mais ils ne demanderaient pas mieux que de découvrir un objet qui défierait tous les classements et les forcerait à complètement repenser la question de savoir "qu'est-ce qu'une planète ?".

Si la plupart des gens étaient près à passer de 9 à 10 planètes (2eme définition) dès l'annonce de la découverte de Sedna, ils étaient également prêts à accepter Eris (ex-2003 UB313 qui s'appelait alors officieusement Xéna) parmi les planètes. Toutefois il semblait peu probable que beaucoup de personnes seraient heureuses si les astronomes annonçaient subitement "nous avons décidé qu'il y a 24 planètes dont voici la liste" ou s'ils décidaient de supprimer Pluton de cette liste.

Culturellement, je me rappelle que l'annonce faite en 2003 que Sedna était la 10eme planète m'avait quelque peu surpris car je ne comprenais pas sur quel(s) critère(s) avait été fondé cette décision. Le temps a heureusement rétablit la donne.

Malgré des années de débat, le statut de Pluton n'était toujours pas tranché et tous les astronomes ne partageaient pas l'idée de l'exclure du petit club fermé des planètes.

Exoplanètes gravitant près d'un jeune amas d'étoiles entouré de gaz.

En effet, son statut de planète était bien ancré. En accord avec la définition acceptée jusqu'alors, Pluton était traitée comme une planète sur les sites officiels de la NASA (JPL) et des sites y faisaient référence tel que "The Nine planets". Des trucs mnémoniques permettent de les retenir (notamment "Me Voici Toute Mignonne, Je Suis Une Nouvelle Planète), elles figurent toutes sur des timbres et tous les sites d'astronomie ont imposé Pluton comme planète à part entière. En fait, quand bien même les astronomes voudraient soustraire Pluton à son statut, ils constateraient que le mot "planète" ne leur appartient plus car il s'entoure d'un sens historique et culturel très complexe.

Bien sûr il n'était pas exclu qu'une nouvelle génération de chercheurs bouscule une nouvelle fois nos habitudes. Tous admettaient toutefois que tout objet plus grand que Pluton et n'assurant pas son propre rayonnement lumineux devait être considéré comme une planète. Une planète culturelle, une planète historique si vous voulez.

On ne pouvait pas dire qu'il s'agissait d'une planète "scientifique" parce qu'il n'existait pas encore de définition scientifique qui épouse à la fois les conditions rencontrées dans le système solaire et notre culture. Comme Michael Brown l'a écrit "pour une fois j'ai décidé de laisser gagner la culture. Nous, scientifiques, pouvons continuer nos débats, mais j'espère que nous serons globalement ignorés".

2006 : nouvelles résolutions de l'UAI

La définition scientifique d'une planète restant approximative, 2500 astronomes du monde entier se sont réunis du 14 au 25 août 2006 sous les auspices de la 26eme Assemblée Générale de l'Union Astronomique Internationale (GA-XXVI) pour clôturer deux années de discussions sur le sujet. Cinq résolutions étaient à l'ordre du jour parmi lesquelles la théorie de la précession et les définitions de l'écliptique ainsi que d'une planète.

La Résolution 5A proposée par l'UAI définit une planète comme suit : 

"Une planète est un corps céleste qui (a) orbite autour du Soleil, (b) qui possède une masse suffisante pour que sa gravité l'emporte sur les forces de cohésion du corps rigide et le maintienne en équilibre hydrostatique (forme ronde), et (c) qui a éliminé tout corps se déplaçant sur une orbite proche."

Par extension, tout corps répondant à ces critères et gravitant autour d’une autre étoile est qualifiée d’exoplanète.

Quelques petits astres perdus aux confins du système solaire qui n'accéderont jamais au statut de planète ni de planète naine. Selon l'UAI, ils sortent du cadre de ces définitions et appartiennent à la grande famille des petits corps (KBO, SDO, etc). Document UAI.

Mais l'UAI ne dressait pas encore la liste des planètes qui devait faire l'objet d'une 6eme résolution. Y en aurait-il 8 en excluant Pluton, 9 en ignorant les nouveaux KBO ou fallait-il élargir le nombre de planètes à 12 ou 24 en comptant les plus gros KBO ? Les débats se sont poursuivis durant une semaine.

Entre les lignes, la définition de l'UAI signifie qu'un corps doit présenter une masse d'au moins 5x1020 kg et un diamètre d'au moins 800 km pour être considéré comme une planète. Mais ce n'est pas tout. La planète doit avoir éliminé tout corps susceptible de se déplacer sur une orbite proche et le barycentre ou centre de gravité du système doit également se situer en dehors de l'astre primaire.

Pourquoi cette dernière précision ? Car autrement la Lune située à 380000 km de la Terre serait considérée comme une planète avec ses 7.35x1022 kg et ses 3400 km de diamètre ! On parle bien du "couple Terre-Lune", mais pour l'UAI la question est entendue, la Lune reste une lune, c'est-à-dire le satellite de la Terre. 

Le couple Pluton-Charon est un cas particulier car justement les deux astres gravitent autour d'un centre commun de gravité qui se situe dans l'espace.

Après dix jours de débats houleux,  le 24 août 2006, la Résolution 5A fut approuvée par l'UAI. Par un vote à main levée, Pluton a été déchue de son titre de planète ! C'était une solution assez proche de la 4eme définition, la plus scientifique mais l'une des moins probables aussi... Mais rassurez-vous Pluton ne changera pas d'orbite pour autant !

Le système solaire ne contient donc dorénavant que  8 planètes : Mercure, Vénus, la Terre, Mars, Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune.

L'UAI a également voté une 6eme résolution afin de créer une nouvelle classe d'objets : les planètes naines dont les premiers membres sont Pluton, Charon, Cérès, Sedna et Eris, auxquelles s'ajouteront probablement 2007 OR10. Quant aux trucs mnémoniques, on peut bien entendu les conserver puisque ces astres existent toujours, en rappelant simplement que ses derniers membres sont des planètes naines.

Dans une interview accordée au JPL fin août 2006, Michael Brown reconnut sa déception : "Bien sûr je suis déçu que Xéna (Eris) n’ait pas été la dixième planète, mais je supporte sans le moindre doute cette décision difficile et courageuse de l’UAI. C’est scientifiquement la bonne chose à faire et un grand pas en avant en astronomie."

Pluton déchue de son titre de planète.

Pour plus d'informations

Les résolutions du GAXXVI concernant la défnition d'une planète, UAI, 2006

IAU 2006 General Assembly: Result of the IAU Resolution votes, UAI, 2006

Site Internet de Michael E. Brown, Caltech

Définition d'une planète selon Gibor Basri, Caltech (l'inventeur des Planemos), 2003

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