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Les Objets de la Ceinture de Kuiper Quelle est la composition des KBO ? (II) Vu leur distance et leur magnitude (20 à 25), connaître la composition superficielle des KBO est un véritable défi. Les méthodes habituelles consistent à réaliser des spectres en lumière blanche et dans le proche infrarouge qui révèlent la composition du substrat de ces petits corps ce qui permet d'établir des comparaisons avec les autres membres du système solaire. Mais il est difficile de réaliser de tels spectres sur d'aussi petits corps, même en utilisant le puissant télescope Keck de 10m d'Hawaii. Aussi, dans un premier temps, c'est en analysant des clichés couleurs large bande réalisés au moyen de caméras CCD performantes (8 et 12k pixels) que David Jewitt et ses collègues ont pu dresser les profils optiques de plusieurs dizaines de KBO et mettre en évidence des propriétés communes. Optiquement, les KBO présentent une grande variété de couleurs, allant du gris neutre (réfléchissant également toutes les longueurs d'onde), au rouge profond. En outre, la gamme de couleurs (représentée par la pente des spectres de chaque objet dans le diagramme ci-dessous) est à peu la même que celle qui existe entre le très rouge Centaure "Pholus" et le gris presque neutre "Chiron". La gamme des couleurs optiques suggère donc une diversité de matériaux à la surface des KBO et des Centaures. Mais quelle est cette diversité ? A priori, on s'attendrait à ce que la surface des KBO soit noire et rouge, résultat d'un bombardement prolongé par les rayons cosmiques vecteurs de particules très énergiques. Des expériences de laboratoire montrent en effet que les protons libèrent sélectivement l'hydrogène des matériaux de surface, favorisant la formation de polymères complexes. Leur couleur est d'ordinaire noire et rouge à cause de l'abondance des composés carbonés. Une fois irradié le matériau de surface est carbonisé au sens strict et prend une coloration noire, typique d'une croûte réfractaire telle qu'on l'observe dans le noyau des comètes par exemple.
La gamme de couleurs que présentent les KBO peut avoir plusieurs origines. Première idée, ils ont intrinsèquement une composition différente qui se traduit par une coloration particulière comme c'est le cas pour les astéroïdes dont la couleur est fonction de leur lieu et de leur température au moment de leur formation. Actuellement on pense que les KBO se sont tous formés dans l'espace au-delà de Neptune, dans un milieu porté à une température voisine de 40 à 50 K, qui ne peut donc pas expliquer leur variation prononcées de composition. Une autre interprétation considère que des collisions dans la Ceinture de Kuiper ont pu endommager leur croûte superficielle sombre, révélant le matériau intérieur non infiltré resté "frais". Un tel processus est par exemple visible sur la Lune et sur d'autres satellites révélant autour des cratères d'impacts récents des ensembles de raies brillantes recouvrant des matériaux plus sombres. Des simulations de ce processus semblent confirmer cette hypothèse (malgré la forte incertitude concernant le taux de collisions dans la Ceinture de Kuiper). Seule condition à réunir, l'échelle de temps nécessaire à ce "resurfaçage d'impact" doit être du même ordre de grandeur que l'échelle de temps nécessaire à l'irradiation du manteau de l'objet. Récemment (1998), R.Brown et ses collègues de l'Université d'Arizona ont obtenu un spectre dans le proche infrarouge du KBO 1993 SC. Bien que l'image soit très aplanie, il est pertinent de noter que les raies d'absorptions correspondent approximativement au système de raies identifiées sur Pluton. Cette similitude suggère une composition de surface similaire à celle de Pluton, à savoir CO et CH4 gelés ainsi que d'autres mélanges de glace sales. Dans ce contexte, en 2003 Michael Brown et ses collègues américains ont suggéré que Pluton n'était finalement pas différent des KBO. Officieusement il fait aujourd'hui partie de ces populations de petits corps perdus auc confins du système solaire au même titre que Sedna, Quaoar, Varuna, et consorts. Pluton est en fait le KBO le plus brillant, suivi par 2005 FY9, 2003 EL61 et Eris alias 2003 UB313 sur lesquels nous reviendrons page suivante. A lire : Sedna, un KBO inattendu Les Plutinos Faisant partie de la grande famille des KBO, ces petits planétésimaux ne sont pas répartis aléatoirement mais résident dans une bande très large à environ 39 UA du Soleil alors que la plupart des autres KBO sont beaucoup plus éloignés du Soleil.
La famille des Plutinos comprend au moins 153 membres (2006). Outre une forte inclinaison orbitale (<20°) ils se caractérisent par une résonance parfaite ou proche de 2:3 (dite aussi 3:2) avec Neptune. C'est-à-dire qu'ils effectuent 2 rotations autour du Soleil lorsque Neptune en fait 3. Cette résonance est également partagée avec Pluton, d'où ces astéroïdes tirent leur surnom (petits Pluton). Depuis mai 2001 le chef de file de cette famille est aussi le plus grand des astéroïdes, 2001 KX76 qui présente un diamètre de 1055 km (voir page 3). Pluton ne se distingue des Plutinos que par sa taille : c'est le plus grand objet identifié en résonance 2:3. Il est probable que cette orbite de résonance stabilise les Plutinos contre les perturbations gravitationnelles générées par Neptune. Ces objets résonants sur des obrites elliptiques peuvent en effet s'approcher de Neptune sans jamais être capturé ou s'y fracasser car leur distance au périhélie leur permet d'éviter Neptune. Pluton agit d'une manière similaire lorsqu'il traverse l'orbite de Neptune, sans jamais entrer en collision avec cette planète. Quelque 35% des Objets Trans-Neptuniens sont des Plutinos. Quelques autres semblent sous l'emprise d'autres résonances tel 1995 DA2 qui obéit probablement à la résonance 3:4. En extrapolant le nombre d'individus découverts aujourd'hui, David Jewitt estime qu'il existerait quelque 25000 Plutinos de plus de 100 km de diamètre, dont 1400 seraient accessibles aux moyens actuels, un nombre très élevé que les astronomes étaient bien en mal d'imaginer au début des années 1990. Quelle est l'origine de la résonance 2:3 ? A exactement 39.4 UA, se trouve une orbite de résonance 2:3 contenant l'orbite de Pluton et environ 200 KBO. Selon Renu Malhotra spécialiste de la dynamique du système solaire à l'Université d'Arizona, se fondant sur un travail préliminaire de Julio Fernandez et des simulations numériques, la résonance 2:3 serait le résultat d'un échange du moment angulaire (la vitesse de rotation) avec les planétésimaux à une époque qui remonterait à l'accrétion du système solaire. Malhotra pense qu'Uranus et Neptune, en particulier, ont été en mesure d'éjecter de nombreuses comètes vers le Nuage de Oort, provoquant une modification de la taille de leurs orbites. Comme Neptune se déplaçait vers l'extérieur, ses résonances furent poussées vers le disque planétésimal proche où elles accumulèrent les objets comme une boule de neige. Capturés dans les zones de résonances à mesure que Neptune se déplacait, ces Plutinos en devenir ont vu leur excentricité et leur inclinaison orbitales graduellement se modifier au fil du temps. Selon David Jewitt ce scénario est viable. Les seuls arguments pouvant s'y opposer concernent la question de savoir pourquoi cela ne se serait pas produit dans l'autre sens, au retour de Neptune et quelle distance la planète aurait-elle parcourue de la sorte. Enfin, l'inclinaison de Pluton est plus élevée que la valeur typique des objets simulés par Malhotra (l'inclinaison de 1995 QZ9 est de 19.5°, supérieure à celle de Pluton qui est de 17.17°). Malgré les défauts de cette dynamique, l'hypothèse de la "planète mouvante" apparaît aussi bonne si pas meilleure que la plupart des autres théories proposées jusqu'à présent. Quaoar et les Cubewanos En 1996, David Jewitt et ses collègues utilisèrent une caméra CCD de 8192x8192 pixels placée au foyer du télescope de 2.2m de l'Université d'Hawaii afin de photographier de grands champs stellaires à la recherche de planétésimaux. Ils disposent égalemernt d'une caméra CCD de 12k pixels de 15 microns dont le champ atteint 42'x28' au rapport f/4 et offrant une résolution de 0.206" par pixel, ce qui est dix fois supérieure à du matériel d'amateur (SBIG ST-7).
1996 TL66 fut l'un des premiers SDO découvert par cette technique. Il présente une particularité qui le différencie des autres KBO connus, à savoir une orbite très excentrique (e=0.59) avec une distance périhélique d'environ 35 UA et un demi grand-axe de 85 UA, soit presque deux fois plus étendue que celle des KBO classiques ! Il présente également une taille remarquable. Avec une magnitude visuelle de 21 et un albédo de 4%, son diamètre est estimé à environ 500 km. Enfin, TL66 met presque 1000 ans pour accomplir une révolution autour Soleil ! Aujourd'hui les astronomes ont découvert près de 800 TNO dont le célèbre Cubewano Quaoar, alias 2002 LM60. Il fut découvert en juin 2002 grâce au télescope Oschin de 1.26 m du mont Palomar. Quaoar orbite à environ 42 UA ou 6.3 milliards de km du Soleil, soit 30% plus loin que Pluton quand il est au plus près du Soleil mais c'est aussi deux fois près que Sedna. Si nous devions y aller à pied, il nous faudrait environ 100000 ans pour y parvenir. A la vitesse de la navette spatiale il faudrait 25 ans. Quant à la lumière il lui faut tout de même plus de 5 heures pour l'atteindre. A cette distance le Soleil ne brille pas beaucoup plus que Vénus vue de la Terre et il gèle par -230°C.
Quaoar gravite sur une orbite quasi circulaire présentant une ellipticité égale à 0.04, inclinée d'environ 8° sur le plan de l'écliptique. Il accomplit sa révolution autour du Soleil en 285 années terrestres. Grâce aux mesures effectuées par le Télescope Spatial Hubble, les astronomes estiment le diamètre de Quaoar à environ 1280 km. Il est donc plus petit que Pluton (2270 km) et Sedna (~1700 km). En janvier 2005, David Jewitt et Jane Luu ont obtenu le premier spectre en haute résolution de Quaoar en utilisant le télescope Subaru de 8.2 m installé au sommet du Mauna Kea. Ce spectre indique la présence d’eau glacée cristallisée dont les auteurs estime l’apparition à la surface de Quaoar voici 10 millions d’années. Grâce à cette signature caractéristique, Jewitt et Luu pensent que certains processus sont toujours actifs aujourd’hui, soit des remontées de glace enfermées dans le sous-sol de Quaoar depuis 4.5 milliards d’années soit un réchauffement de sa surface qui pourrait expliquer la présence de cette glace d’eau. Bien que cette interprétention reste spéculative, c’est une bonne nouvelle car pour la première fois des astronomes ont pu obtenir un spectre révélant des propriétés inattendues et étranges à la surface de Quaoar. Statistiquement, David Jewitt estime qu'il existe environ 10000 objets de ce type présentant des paramètres orbitaux similaires. La masse globale des TNO pourrait approcher 0.5 à 1 fois la masse de la Terre et pourrait être supérieure à la masse combinée de tous les KBO connus à ce jour. Décidémment, les contrées lointaines du système solaire cachent encore bien des surprises. Dernier chapitre
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