Les Objets Transneptuniens et les KBO

Rappel historique (I)

Jusqu'au milieu du XX^e siècle, 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 poussière 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 aujourd'hui au SwRI 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 vers 35 UA (voir carte plus bas) 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 année-lumière.

A gauche, illustration des astéroïdes de la Ceinture de Kuiper. Elle se différencie de la Ceinture principale par sa distance au Soleil et sa plus faible densité en petits corps. A droite, illustration d'un KBO. Documents ESO/M.Kornmesser et NASA.

Des perturbations orbitales inexpliquées

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 la Ceinture 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 protosolaire. 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 glace de méthane. Tous ces points communs ont peu de chance d'être fortuits. Comme les comètes, ces trois corps semblent avoir été formés à l'extérieur du système solaire plutôt que dans le voisinage de Neptune.

A gauche, Triton (Ø 2705 km) photographié par la sonde spatiale Voyager 2 le 21 août 1989. Au centre, Pluton (Ø 2370 km) photographié par la sonde New Horizons le 14 juillet 2015 à 450000 km de distance. A droite, son satellite Charon (Ø 1208 km de diamètre) photographié par la sonde New Horizon le 14 juillet 2015. La distance n'est pas précisée mais est d'environ 300000 km. Documents NASA/JPL et JHUAPL.

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 traquèrent 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 Percival Lowell, les astrophysiciens Bob Harrington et Tom Van Flander démontrèrent 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 précisa 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 et les découvertes réalisées ces dernières décennies lui ont donné raison. De plus, la découverte de gros astéroïdes comme Sedna (~1000 km) et l'hypothétique neuvième planète dans le Nuage de Hills renforcent son hypothèse.

Jusqu'à la fin du XX^e siècle, la majorité des astronomes étaient très confiants et n'imaginaient pas qu'il puisse exister une autre planète plus grande que Pluton au-delà de l'orbite de Neptune. Or les analyses des observations du satellite WISE publiées en 2013 ont fixé une limite supérieure différente : il n'existe pas de planète géante de la taille de Saturne à moins de 10000 UA et de la taille de Jupiter à moins de 26000 UA. En revanche, il existe suffsamment de perturbations dans les orbites des Transneptuniens et notamment des KBO pour une planète plus massive que Neptune.

Les Objets Transneptuniens (TNO)

D'après la définition dynamique, un TNO est un astéroïde dont le périhélie est supérieur à 1.3 UA et le demi-grand axe supérieur à 5.5 UA.

Au-delà de l'orbite de Jupiter (5.2 UA), les astronomes ont identifié plusieurs milliers de planétésimaux qui, pour une raison ou une autre ne se sont pas rassemblés dans la Ceinture principale des astéroïdes et ont migré isolément soit entre Jupiter et Saturne soit au-delà de l'orbite de Pluton. Répertoriés en fonction de leurs paramètres orbitaux, début 2020 on avait identifié plus de 2500 TNO et leur nombre augmente d'environ 250 objets chaque année.

En 2020, après avoir sondé le ciel pendant 6 ans (2013 à 2019), les premiers résultats du sondage DES (Dark Energy Survey) publiés par l'équipê de Pedro H. Bernardinelli de l'Université de Pennsylvanie rapportent la découverte de 245 TNO, soit près de 10% du catalogue. La plupart des TNO découverts par DES se situent à des distances comprises entre 45 et 60 UA, deux d'entre eux se situant à plus de 90 UA soit plus de 8 milliards de kilomètres.

Trois TNO découverts le 17 février 2021 par S.Sheppard, D.Tholen et C.Trujillo grâce au télescope Subaru de 8.2 m de Mauna Kea se sont binaires : 2021 DM15, 2021 DN15 et 2021 DS15. Leur magnitude (en rouge) varie entre 22.5 et 23.8 et ils évoluent entre 42.7 et 44.4 UA du Soleil.

La plupart de ces petits corps ne font que quelques kilomètres de diamètre et présentent une magnitude visuelle comprise entre 20 et 25, rendant leur photographie à la limite des moyens amateurs. Dans le cas des TNO binaires, le satellite n'est séparé au mieux que de 1" de son hôte.

Les Objets Transneptuniens sont divisés en plusieurs familles :

- Les Plutinos en résonance 2:3 avec Neptune, tel Pluton, Ixion et Orcus.

- Les Objets de la Ceinture de Kuiper (KBO) parfois appelés Objets Classiques de la Ceinture de Kuiper (CKBO) ou Cubewanos tel 1992 QB1, Hauméa, Quaoar, Sedna ou Varuna.

- Les Objets dispersés du disque ou Scattered-Disk Objects (SDO) tel 1996 TL66, 2002 CR46 et Eris (2003 UB313).

Citons à part les Centaures tels Hidalgo, Chiron, Pholus, Chariklo, Nessus et Okyrhoe qu'on associe aux KBO mais dont l'orbite se situe entre celle de Jupiter et de Neptune. Il s'agirait d'anciens KBO ayant migré vers l'intérieur du système solaire. Ils sont à l'origine de la majorité des comètes à courte période de la famille de Jupiter (JFC). On y reviendra.

A consulter : Liste des TNO (MCP) - Position des TNO (SwRI)

Le système solaire extérieur. Ci-dessus, distribution générale des Centaures et TNO, y compris des KBO de la Ceinture de Kuiper. Ci-dessous à gauche, la localisation des principaux KBO. A droite, une vue plus générale de la répartition des astéroïdes au-delà de l'orbite de Jupiter (cercle cyan au centre). La position de Pluton est indiquée par une croix blanche entourée d'un cercle en bas de l'image. Les KBO présentants une excentricité inhabituelle sont représentés par des triangles cyan, les Centaures par des triangles oranges, les Plutinos par des cercles blancs, les SDO par des cercles magentas et les CKBO ou KBO de la ceinture principale par des cercles rouges. Les objets observés lors d'une seule opposition sont représentés par des symboles ouverts. Enfin les comètes sont représentées par des carrés bleu-ciels, pleins lorsqu'elles sont périodiques et évidés pour les autres. Documents inspiré de Wikimédia et MPC adaptés par l'auteur.

L'archétype des Objets Transneptuniens est le KBO 1992 QB1 découvert le 14 septembre 1992 par David Jewitt et Jane Luu de l'IfA d'Hawaï. 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. Il mesure 167 x 108 km et présente un albedo de 0.2. Son orbite est faiblement excentrique (e=0.0678) comme on s'y attend de tout objet formé par lente accrétion dans un disque dynamiquement froid.