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Les Objets de la Ceinture de Kuiper Rappel historique (I) Il n'y a pas si longtemps encore, les astronomes croyaient qu'en dehors des planètes et des astéroïdes il n'existait aucun objet dans le système solaire plus petits que les comètes. Il y avait bien la Ceinture des astéroïdes entre Mars et Jupiter mais rien de visible au-delà de Pluton.En 1951, le planétologue américain Gerard Kuiper prédit que suite à la condensation du disque de gaz et de poussières qui forma le Soleil et les planètes, des fragments glacés auraient pu survivre au-delà de Neptune, formant une immense ceinture de débris. Trente ans plus tard, la Ceinture de Kuiper tombait à point nommé pour expliquer l’origine des comètes dont la période est inférieure à 200 ans.
Cette idée sera reprise en 1991 par l'astrophysicien Alan Stern de l'Université du Colorado qui considérait que ces petits objets devaient avoir une taille oscillant entre celle de Pluton et des petites comètes , soit entre 10 et 2000 km de diamètre. Ces "planétésimaux" orbiteraient dans deux anneaux, le premier, la Ceinture de Kuiper, située tout d’abord à 40 UA irait jusqu'à 500 UA et contiendrait 100 millions d’objets, le second constituerait le Nuage de Oort qui s'étendrait cent fois plus loin, jusqu'à 0.8 années-lumière.Alan Stern étaye son argumentation sur les perturbations orbitales d'Uranus et Neptune qui depuis près d'un siècle laissent les astronomes perplexes. L'ensemble de ces petits corps pourraient expliquer ces perturbations. Son hypothèse à l'avantage d'expliquer la curieuse inclinaison orbitale d'Uranus. L'une de ces petites planètes, d'une masse du cinquième de celle de la Terre aurait pu percuter Uranus et faire totalement basculer son axe de rotation. Idem pour Triton, le plus gros satellite d'Uranus qui accuse un mouvement rétrograde. Selon Stern il a très bien pu provenir de l' Anneau de Kuiper et s'être rapproché suffisamment près de Neptune pour être capturé.Autre argument en sa faveur, Pluton et Charon gravitent sur une orbite très excentrique qui va à l'encontre d'une formation ordinaire à partir du nuage proto-solaire. De plus les deux corps ne semblent pas avoir une constitution classique (jovienne ou tellurique) même si le froid a figé leurs composants.
L'explication de Stern s'avère particulièrement intéressante lorsqu'on examine la densité des satellites. Triton, comme Pluton et Charon ont une densité similaire, voisine de 2. Leurs caractéristiques sont de même nature, tous trois possèdent une atmosphère de méthane et leur surface est couverte de méthane gelé. Tous ces points communs ont peu de chance d'être fortuits. Comme les comètes, ces trois corps semblent avoir été formé à l'extérieur du système solaire plutôt que dans le voisinage de Neptune. A son crédit, il est un fait que la théorie de Stern est plus solide que l'hypothèse planétaire traditionnelle. Quand on se demande pourquoi Triton, Pluton et Charon ont un comportement si particulier, il est difficile d'invoquer les lois du hasard. Il est déjà plus probable qu'une collision ait provoqué ces perturbations, même si statistiquement un tel phénomène a peu de chance de se produire. Cette théorie permet également à Stern d'apporte une solution au problème de la "planète X". Si les effets perturbateurs de Neptune expliquent 98% des perturbations d'Uranus, il reste 2% d'anomalies à expliquer. Si la dixième planète n'a jamais été découverte... c'est parce qu'elle n'existe pas ! Mais tous les chercheurs ne partagent pas cet enthousiasme, en particulier Tom Van Flandern et ses collègues qui traquent depuis 1976 la dixième planète du système solaire. Les 2% d’anomalies orbitales résiduelles s’expliqueraient par l’existence d’une seule nouvelle planète. Sur les traces de Lowell, Bob Harrington décédé en 1993 et Tom Van Flandern ont démontré que les perturbations du mouvement de Neptune pouvaient s'expliquer par l'existence d'un astre ayant entre 2 et 5 fois la masse de la Terre et situé entre 50 et 100 UA du Soleil, là où la loi empirique de Titius-Bode avait prédit 77 UA Une orbite de forte inclinaison semble également requise. Van Flandern précise que “des planètes de la taille de Saturne ou plus volumineuses, ayant une forte inclinaison orbitale ont été proposées, mais elles rendent les orbites des planètes extérieures instables. Cette suggestion est peu vraisemblable”. Pour ajouter crédit à la théorie d’Alan Stern, plusieurs astronomes ont déjà découvert des objets circulant entre 38 et 56 UA de la Terre ( 2001 KX76 Ixion, 1992 QB1, 1993FW, etc) sur lesquels nous reviendrons.
Si aujourd'hui l'existence de la Ceinture de Kuiper ne fait plus aucun doute comme l'indique les travaux de David Jewitt et ses collègues, la question est de savoir pourquoi n'observe-t-on pas plus d'objets ? En analysant des simulations orbitales sur ordinateurs, il s'est avéré que les orbites qui recouvrent la Ceinture de Kuiper sont fortement instables et chaotiques, les corps étant perturbés par les forces gravitationnelles des planètes géantes. Il s'ensuit que de petites planètes formés il y a 4 milliards d'années au-delà de Neptune ont toutes les chances de se retrouver aujourd'hui à plus de 100 UA. La Ceinture de Kuiper contiendrait donc des anciens membres du système solaire dont Triton, Pluton et Charon seraient les représentants ainsi que quelques astéroïdes et comètes. Finalement la tentative d'Alan Stern qui nous paraissait de prime abord insensée est très séduisante. Espérons que l'avenir lui donnera raison, en particulier grâce aux observations des télescopes infrarouges orbitaux (ISO en particulier). N'oublions pas non plus les sondes spatiales Pioneer 10 et Voyager 1 qui se trouvent actuellement à plus de 90 UA du Soleil, progressant de 2.5 UA chaque année. Si leurs émissions radioélectriques nous parvenaient le moindre du monde décalées, se serait la preuve qu'il existe quelque part, loin dans le système solaire un ou plusieurs corps inconnus de quelque importance gravitationnelle. Mais quelle chance ces vaisseaux ont-ils de rencontrer ces quelques dizaines de planétésimaux... Notre seule soulagement est de pouvoir fixer une limite supérieure de vraisemblance, au grand dam de Lowell et de ses partisans : il n'existe probablement pas d'autre planète plus grande que Pluton au-delà de l'orbite de Neptune. Les Objets de la Ceinture de Kuiper (KBO) Au-delà de l'orbite de Jupiter (5.2 UA) gravitent plusieurs dizaines de milliers de planétésimaux qui, pour une raison ou une autre ne se sont pas rassemblés dans la ceinture principale des astéroïdes et ont migrés pour la plupart isolément entre Jupiter et Saturne et au-delà de l'orbite de Pluton. Répertoriés en fonction de leurs paramètres orbitaux la plupart de ces petits corps ne font que quelques kilomètres de diamètre et présentent une magnitude visuelle comprise entre 20 et 25 bien au-delà des possibilités offertes par les télescopes amateurs. Les KBO appartiennent à la population des Objets Trans-Neptuniens (TNO) parmi lesquels les plus grands représentants sont Pluton, Charon, Sedna, Eris, Varuna, Quaoar, etc. A la limite on peut considérer le Nuage de Oort comment faisant partie de cet ensemble. Les KBO sont divisés en plusieurs familles : - Les Plutinos, en résonance 3:2 avec Neptune, tel Pluton, Ixion et Orcus - Les Cubewanos, ou Objets Classiques de la Ceinture de Kuiper (CKBO) tel 1992 QB1, Quaoar ou Varuna - Les Centaures, tel Pholus, Chiron, Okyrhoe et 1999 TZ1 - Les Objets dispersés du disque ou Scattered-Disk Objects (SDO) tel 1996 TL66, 2002 CR46 et Eris (2003 UB313) Position des TNO (SWRi)
L'archétype des Objets Classiques de la Ceinture de Kuiper ou CKBO est l'objet 1992 QB1 découvert le 14 septembre 1992 par David Jewitt et Jane Luu de l'IFA d'Hawaii. C'est sa dénomination prononcé à l'anglaise qui donna son nom à la famille "QB1'o" (Cubewano). Comme la plupart des TNO il circule entre 42 et 48 UA, donc bien au-delà de l'orbite de Neptune. 1992 QB1 présente une orbite faiblement excentrique comme on s'y attend de tout objet formé par lente accrétion dans un disque dynamiquement froid. Ces CKBO ont survécu depuis la formation du système solaire sans bénéficier de la protection offerte par les zones de résonances des Plutinos mais plus simplement parce qu'ils ont déjà évité la collision avec Neptune dans un lointain passé. L'inclinaison orbitale des CKBO varie jusqu'à des valeurs très élevées, supérieures à 30° pour 1996 RQ20 et 1997 RX9. Cette anomalie suggère que ces petits objets ont subit une perturbation extérieure qui n'a pas encore été identifiée.
Selon David Jewitt, il peut y avoir deux types d'agents perturbateurs : - Aux premiers jours de la formation de la Ceinture de Kuiper, quelques planétésimaux massifs ont pu être disséminés après avoir subit l'influence gravitationnelle de Neptune (30 UA). Ces corps ont pu modifier l'orbite des CKBO et leur donner une inclinaison atypique. Mais il manque à cette hypothèse son principal sujet, les planétésimaux massifs (d'une masse voisine de celle de la Terre) qui auraient par ailleurs perturbés et vidés les zones de résonances de leurs membres. Etant donné le nombre élevé de Plutinos l'action de planétésimaux massifs semble donc exclue. - Une étoile proche aurait pu exciter les CKBO. Cette hypothèse est supportée par des simulations numériques qui indiqueraient que les Objets classiques peuvent être excités sans pour autant perturber les Plutinos. Toutefois l'hypothèse de la perturbation extérieure souffre du fait de trouver des étoiles proches passant suffisamment près du Soleil (à quelque 100 UA). David Jewitt pense malgré tout qu'il est possible, voire probable, que le Soleil se soit formé auprès d'autres étoiles dans un amas qui aurait été initialement très dense, le taux de rencontres stellaires rapprochées ayant pu être beaucoup plus élevé qu'il n'est aujourd'hui. L'hypothèse de telles rapprochements stellaires avec les effets de marées gravitationnelles qu'ils provoquent ont été proposés pour expliquer la forme très compacte des petites structures en forme de disque appelées "proplydes". Certains d'entre eux ont un diamètre de 50 à 100 UA, similaire au diamètre de la partie connue de la Ceinture classique de Kuiper. La coïncidence n'est peut-être pas fortuite.
Prochain chapitre Quelle est la composition des KBO ?
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