13.4 : L'origine et le destin des comètes et des objets connexes

Objectifs d'apprentissage

À la fin de cette section, vous serez en mesure de :

• Décrire les caractéristiques des objets du centaure
• Racontez la découverte et décrivez la composition du nuage d'Oort
• Décrire les objets transneptuniens et de la ceinture de Kuiper
• Expliquer le sort proposé des comètes qui pénètrent dans le système solaire interne

Les comètes que nous remarquons lorsqu'elles s'approchent de la Terre (en particulier celles qui viennent pour la première fois) sont probablement les objets les plus primitifs que nous puissions étudier, conservés inchangés pendant des milliards d'années dans le gel profond du système solaire externe. Cependant, les astronomes ont découvert de nombreux autres objets qui gravitent autour du Soleil au-delà des planètes.

Centaures et OTN

Dans le système solaire externe, où la plupart des objets contiennent de grandes quantités de glace d'eau, la distinction entre les astéroïdes et les comètes s'estompe. Au début, les astronomes utilisaient encore le nom « astéroïdes » pour désigner de nouveaux objets découverts autour du Soleil avec des orbites qui les transportent bien au-delà de Jupiter. Le premier de ces objets est Chiron, découvert en 1977 sur une trajectoire qui le transporte de l'intérieur de l'orbite de Saturne, à son point le plus proche du Soleil, jusqu'à presque la distance d'Uranus (Figure\(\PageIndex{1}\)). Le diamètre de Chiron est estimé à environ 200 kilomètres, bien plus grand que celui de toutes les comètes connues.

Figure l'orbite\(\PageIndex{1}\) de Chiron. Chiron tourne autour du Soleil tous les 50 ans, son approche la plus proche se trouvant à l'intérieur de l'orbite de Saturne et l'approche la plus éloignée de l'orbite d'Uranus.

En 1992, un objet encore plus éloigné nommé Pholus a été découvert avec une orbite qui l'emmène à 33 UA du Soleil, au-delà de l'orbite de Neptune. Pholus possède la surface la plus rouge de tous les objets du système solaire, ce qui indique une composition de surface étrange (et encore inconnue). Au fur et à mesure que de nouveaux objets sont découverts dans ces contrées lointaines, les astronomes ont décidé de leur donner les noms de centaures issus de la mythologie classique ; cela est dû au fait que les centaures étaient mi-humains, mi-chevaux, et que ces nouveaux objets présentent certaines des propriétés des astéroïdes et des comètes.

Au-delà de l'orbite de Neptune se trouve un royaume sombre et froid peuplé d'objets appelés simplement objets transneptuniens (TNO). La première découverte, et la plus connue, de ces TNO est la planète naine Pluton. Nous avons discuté de Pluton et de la rencontre du vaisseau spatial New Horizons avec lui dans la section sur les anneaux, les lunes et Pluton. Le deuxième TNO a été découvert en 1992 et on en connaît aujourd'hui plus d'un millier, dont la plupart sont plus petits que Pluton.

Les plus grandes après Pluton, appelées Eris, Makemake et Haumea, sont également classées dans la catégorie des planètes naines. Hormis leur petite taille, les planètes naines ont de nombreuses propriétés communes avec les plus grandes planètes. Pluton possède cinq lunes, et deux lunes ont été découvertes en orbitale autour de Haumea et une autour d'Eris et de Makemake.

La ceinture de Kuiper et le nuage d'Oort

Les TNO font partie de ce que l'on appelle la ceinture de Kuiper, une vaste zone spatiale au-delà de Neptune qui est également à l'origine de nombreuses comètes. Les astronomes étudient la ceinture de Kuiper de deux manières. De nouveaux télescopes plus puissants nous permettent de découvrir directement la plupart des plus grands membres de la ceinture de Kuiper. Nous pouvons également mesurer la composition de comètes à courte période dont on pense qu'elles proviennent de la ceinture de Kuiper, où de petites perturbations gravitationnelles provenant de Neptune peuvent progressivement déplacer leur orbite jusqu'à pénétrer dans le système solaire interne. Plus d'un millier d'objets de la ceinture de Kuiper ont été découverts, et les astronomes estiment qu'il y en a plus de 100 000 avec des diamètres supérieurs à 100 kilomètres, dans un disque s'étendant jusqu'à environ 50 UA du Soleil.

Après son survol réussi de Pluton, la sonde New Horizons a exploré la ceinture de Kuiper. L'équipe a finalement identifié un membre de la ceinture, le 2014 MU16 (nommé par la suite Arrokoth), qui pouvait être atteint par un léger changement de trajectoire de l'engin spatial. New Horizons a survolé Arrokoth le 1er janvier 2019, à une distance de seulement 3 500 km, obtenant des images et d'autres données. La cible s'est avérée être un binaire de contacts, quelque chose de nouveau et d'inattendu (voir photo). En suivant leurs orbites vers l'arrière, nous pouvons calculer que les aphélies (points les plus éloignés du Soleil) des comètes récemment découvertes ont généralement des valeurs proches de 50 000 UA (plus de mille fois plus loin que Pluton). Ce regroupement de distances entre les aphélions a été remarqué pour la première fois par l'astronome néerlandais Jan Oort qui, en 1950, a proposé une idée de l'origine de ces comètes qui est toujours acceptée aujourd'hui (Figure\(\PageIndex{2}\)).

Figure\(\PageIndex{2}\) Jan Oort (1900—1992). (a) Jan Oort a d'abord suggéré qu'il pourrait y avoir un réservoir de morceaux gelés, potentiellement des noyaux de comètes, à la limite de la région d'influence gravitationnelle du Soleil. (b) La première image en couleur de l'objet de la ceinture de Kuiper nommé Arrokoth, prise à 137 000 kilomètres de la sonde New Horizons le 1er janvier 2019. (crédit (a) : Cette image est protégée par les droits d'auteur de l'Observatoire de Leiden ; crédit (b) : NASA/JHU/SWRI)

Il est possible de calculer que la sphère d'influence gravitationnelle d'une étoile, c'est-à-dire la distance à laquelle elle peut exercer une gravitation suffisante pour retenir des objets en orbite, correspond à environ un tiers de sa distance par rapport aux autres étoiles les plus proches. Les étoiles situées à proximité du Soleil sont espacées de telle sorte que la sphère d'influence du Soleil s'étend un peu au-delà de 50 000 UA, soit environ 1 année-lumière. À de si grandes distances, toutefois, les objets en orbite autour du Soleil peuvent être perturbés par la gravité des étoiles qui passent. Certains objets perturbés peuvent alors prendre des orbites qui les rapprochent beaucoup plus du Soleil (tandis que d'autres peuvent être perdus définitivement pour le système solaire).

Oort a donc suggéré que les nouvelles comètes que nous voyions étaient des exemples d'objets orbitant autour du Soleil près de la limite de sa sphère d'influence, dont les orbites avaient été perturbées par des étoiles voisines, les rapprochant finalement du Soleil où nous pouvons les voir. ¹ Le réservoir d'objets glacés anciens dont ces comètes sont dérivées est aujourd'hui appelé le nuage d'Oort.

Les astronomes estiment qu'il y a environ un billion (10 ¹²) de comètes dans le nuage d'Oort. De plus, nous estimons qu'environ 10 fois ce nombre d'objets glacés pourraient tourner autour du Soleil dans le volume d'espace situé entre la ceinture de Kuiper (qui est liée gravitationnellement à Neptune) et le nuage d'Oort. Ces objets restent inconnus parce qu'ils sont trop faibles pour être vus directement et que leurs orbites sont trop stables pour permettre à aucun d'entre eux d'être dévié vers l'intérieur près du Soleil. Le nombre total d'objets glacés ou cométaires dans les confins de notre système solaire pourrait donc être de l'ordre de 10 billions (10 ¹³), un très grand nombre en effet.

Quelle est la masse représentée par 10 ¹³ comètes ? Nous pouvons faire une estimation si nous supposons quelque chose à propos de la taille et de la masse des comètes. Supposons que le noyau de la comète Halley soit typique. Son volume observé est d'environ 600 km ³. Si le constituant principal est de la glace d'eau d'une densité d'environ 1 g/cm ³, la masse totale du noyau de Halley doit être d'environ 6 × 10 ¹⁴ kilogrammes. Cela représente environ un dix milliardième (10 ^—10) de la masse de la Terre.

Si notre estimation est raisonnable et qu'il existe 10 à ¹³ comètes de cette masse, leur masse totale serait égale à environ 1 000 Terres, ce qui est comparable à la masse de toutes les planètes réunies. La matière cométaire glacée pourrait donc être le constituant le plus important du système solaire après le Soleil lui-même.

Exemple\(\PageIndex{1}\) : Masse des comètes du nuage d'Oort

Supposons que le nuage d'Oort contient 10 à ¹² comètes d'un diamètre moyen de 10 km chacune. Estimons la masse totale du nuage d'Oort.

Solution

Nous pouvons commencer par supposer que les comètes typiques ont à peu près la taille des comètes Halley et Borrelly, avec un diamètre de 10 km et une densité appropriée à la glace d'eau, qui est d'environ 1 g/cm ³ ou 1 000 kg/m ³. Nous savons que la densité = masse/volume, le volume d'une sphère et le rayon,\(R= \frac{1}{2}D\).\(V= \frac{4}{3} \pi R^3\) Par conséquent, pour chaque comète,

\[ \begin{array} \text{mass } & = \text{ density} \times \text{ volume} \\ ~ & = \text{ density} \times \frac{4}{3} \pi \left( \frac{1}{2} D \right)^3 \end{array} \nonumber\]

Étant donné que 10 km = 10 ⁴ m, la masse de chaque comète est

\[ \begin{array} \text{mass} & = 1000 \text{ kg/m}^3 \times \frac{4}{3} \times 3.14 \times \frac{1}{8} \times \left( 10^4 \right)^3 \text{ m}^3 \\ & \approx 10^{15} \text{ kg} \\ & = 10^{12} \text{ tons} \end{array} \nonumber\]

Pour calculer la masse totale du nuage, nous multiplions cette masse typique d'une comète par le nombre de comètes :

\[ \begin{align*} \text{total mass} &= 10^{15} \text{ kg/comet} \times 10^{12} \text{ comets} \\ & =10^{27} \text{ kg} \end{align*}\]

Exercice\(\PageIndex{1}\)

Comment la masse totale que nous avons calculée ci-dessus se compare-t-elle à la masse de Jupiter ? À la masse du Soleil ? (Donnez une réponse numérique.)

Réponse

La masse de Jupiter est d'environ 1,9 × 10 ²⁷ kg. La masse du nuage d'Oort calculée ci-dessus est de 10 à ²⁷ kg. Le nuage contiendrait donc environ la moitié d'un Jupiter de masse. La masse du Soleil est de 2 × 10 ³⁰ kg. Cela signifie que le cloud d'Oort serait

\[ \frac{10^{27} \text{ kg}}{ \left( 2 \times 10^{30} \text{ kg} \right)} =0.0005 \times \text{ the mass of the Sun} \nonumber\]

Évolution précoce du système planétaire

Les comètes du nuage d'Oort nous aident à prélever des échantillons de matériaux qui se sont formés très loin du Soleil, tandis que les comètes à courte période de la ceinture de Kuiper prélèvent des échantillons de matériaux qui étaient des planétésimaux dans le disque de la nébuleuse solaire mais qui n'ont pas formé de planètes. Les études de la ceinture de Kuiper influencent également notre compréhension de l'évolution précoce de notre système planétaire.

Les objets du nuage d'Oort et de la ceinture de Kuiper ont des histoires différentes et peuvent donc avoir des compositions différentes. Les astronomes sont donc très intéressés à comparer les mesures détaillées des comètes dérivées de ces deux régions sources. La plupart des comètes brillantes qui ont été étudiées dans le passé (Halley, Hyakutake, Hale-Bopp) sont des comètes du nuage d'Oort, mais P67 et plusieurs autres comètes ciblées pour les mesures spatiales au cours de la prochaine décennie sont des comètes de la famille Jupiter provenant de la ceinture de Kuiper (Tableau\(13.3.1\)).

La ceinture de Kuiper est composée de planétésimaux de glace et de roche, vestiges des éléments constitutifs des planètes. Comme il est lié gravitationnellement à Neptune, il peut nous aider à comprendre la formation et l'histoire du système solaire. Au fur et à mesure de la formation des planètes géantes, leur gravité a profondément influencé les orbites des objets de la ceinture de Kuiper. Des simulations informatiques des premières évolutions du système planétaire suggèrent que les interactions gravitationnelles entre les planètes géantes et les planétésimaux restants ont provoqué la dérive de l'orbite de Jupiter vers l'intérieur, alors que les orbites de Saturne, Uranus et Neptune se sont toutes étendues, emportant avec elles la ceinture de Kuiper.

Une autre hypothèse concerne une cinquième planète géante qui a été complètement expulsée du système solaire lorsque les orbites planétaires se déplaçaient. La lune rétrograde (en orbite arrière) de Neptune, Triton (qui est presque aussi grande que Pluton), était peut-être un objet de la ceinture de Kuiper capturé par Neptune pendant la période de changement d'orbite. Il semble clairement que la ceinture de Kuiper puisse contenir des indices importants sur la manière dont notre système solaire a atteint sa configuration planétaire actuelle.

La chasse aux comètes comme passe-temps

Lorsque l'astronome amateur David Levy (Figure), co-découvreur de la comète Shoemaker-Levy 9, a découvert sa première comète, il avait déjà passé 928 heures infructueuses à fouiller le ciel nocturne. Mais la découverte de la première comète n'a fait qu'aiguiser son appétit. Depuis, il en a trouvé 8 autres de son propre chef et 13 autres travaillant avec d'autres. Malgré ce palmarès impressionnant, il ne se classe que troisième dans le livre des records pour le nombre de découvertes de comètes. Mais David espère battre le record un jour.

Partout dans le monde, des observateurs amateurs dévoués passent d'innombrables nuits à scruter le ciel à la recherche de nouvelles comètes. L'astronomie est l'un des rares domaines scientifiques dans lesquels les amateurs peuvent encore apporter une contribution significative, et la découverte d'une comète est l'une des manières les plus intéressantes pour eux de se tailler une place dans l'histoire de l'astronomie. Don Machholz, un amateur californien (et chasseur de comètes) qui a étudié les découvertes de comètes, a indiqué qu'entre 1975 et 1995, 38 % de toutes les comètes découvertes l'ont été par des amateurs. Ces 20 années ont donné naissance à 67 comètes pour les amateurs, soit près de 4 par an. Cela peut sembler assez encourageant pour les nouveaux chasseurs de comètes, jusqu'à ce qu'ils apprennent que le nombre moyen d'heures qu'un amateur passe à chercher une comète avant d'en trouver une était d'environ 420. Il ne s'agit clairement pas d'une activité pour les personnalités impatientes.

Que font les chasseurs de comètes s'ils pensent avoir découvert une nouvelle comète ? Tout d'abord, ils doivent vérifier l'emplacement de l'objet dans un atlas du ciel pour s'assurer qu'il s'agit bien d'une comète. Comme la première observation d'une comète se produit généralement lorsqu'elle est encore loin du Soleil et avant qu'elle ne porte une queue importante, elle ne ressemble qu'à une petite tache floue. Et dans la plupart des télescopes amateurs, il en va de même pour les nébuleuses (nuages de gaz cosmiques et de poussière) et les galaxies (groupes éloignés d'étoiles). Ensuite, ils doivent vérifier qu'ils n'ont pas croisé une comète déjà connue, auquel cas ils ne recevront qu'une tape dans le dos au lieu de gagner de la gloire et de la gloire. Ils doivent ensuite l'observer à nouveau ou la réimager quelque temps plus tard pour voir si son mouvement dans le ciel convient aux comètes.

Souvent, les chasseurs de comètes qui pensent avoir fait une découverte demandent à un autre chasseur de comètes d'autres régions du pays de la confirmer. Si tout se passe bien, ils contacteront le Bureau central des télégrammes astronomiques du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics à Cambridge, dans le Massachusetts (www.cbat.eps.harvard.edu/). Si la découverte est confirmée, le bureau enverra la nouvelle aux astronomes et aux observatoires du monde entier. L'un des avantages uniques de la chasse aux comètes est que le nom du découvreur est associé à la nouvelle comète, une sorte de renommée cosmique que peu de loisirs peuvent égaler.

Figure\(\PageIndex{3}\) David Levy. L'astronome amateur David Levy occupe le troisième rang mondial pour la découverte de comètes.

Le destin des comètes

Toute comète que nous voyons aujourd'hui aura passé presque toute son existence dans le nuage d'Oort ou dans la ceinture de Kuiper à une température proche du zéro absolu. Mais une fois qu'une comète pénètre dans le système solaire interne, son cycle biologique, jusque-là sans incident, commence à s'accélérer. Il peut bien entendu survivre à son passage initial près du Soleil et retourner dans les régions froides de l'espace où il a passé les 4,5 milliards d'années précédentes. À l'autre extrême, il peut entrer en collision avec le Soleil ou s'en approcher si près qu'il est détruit lors de son premier passage en périhélie (plusieurs collisions de ce type ont été observées avec des télescopes spatiaux qui surveillent le Soleil). Parfois, cependant, la nouvelle comète ne s'approche pas très près du Soleil, mais interagit plutôt avec une ou plusieurs planètes.

SOHO (l'Observatoire solaire et héliosphérique) possède une excellente collection de vidéos de comètes qui se rapprochent du Soleil. Sur ce site, la comète ISON s'approche du Soleil et on pense qu'elle a été détruite lors de son passage.

Une comète soumise à l'influence gravitationnelle d'une planète a trois destins possibles. Il peut (1) avoir un impact sur la planète, mettant fin à l'histoire immédiatement ; (2) accélérer et être éjecté, quittant le système solaire pour toujours ; ou (3) être perturbé sur une orbite plus courte. Dans ce dernier cas, son destin est scellé. Chaque fois qu'il s'approche du Soleil, il perd une partie de sa matière et présente également un risque important de collision avec une planète. Une fois que la comète se trouve sur ce type d'orbite à courte période, sa durée de vie commence à être mesurée en milliers, et non en milliards d'années.

Quelques comètes mettent fin à leur vie de manière catastrophique en se disloquant (parfois sans raison apparente) (Figure\(\PageIndex{4}\)). Le destin de la comète Shoemaker-Levy 9, qui s'est brisée en une vingtaine de morceaux lorsqu'elle est passée près de Jupiter en juillet 1992, a été particulièrement spectaculaire. Les fragments de Shoemaker-Levy ont en fait été capturés sur une orbite très allongée de deux ans autour de Jupiter, soit plus du double du nombre de lunes joviennes connues. Il ne s'agissait toutefois que d'un enrichissement temporaire de la famille de Jupiter, car en juillet 1994, tous les fragments de comètes se sont écrasés sur Jupiter, libérant une énergie équivalente à des millions de mégatonnes de TNT.

Figure\(\PageIndex{4}\) Décomposition de la comète LINEAR : (a) Une vue du sol avec beaucoup moins de détails et (b) une photo beaucoup plus détaillée avec le télescope spatial Hubble, montrant les multiples fragments du noyau de la comète LINEAR. La comète s'est désintégrée en juillet 2000 sans raison apparente. (Notez que dans la vue de gauche, les fragments mélangent tous leur lumière et ne peuvent pas être distingués. Les courtes lignes blanches diagonales sont des étoiles qui se déplacent sur l'image, ce qui permet de suivre la comète en mouvement.)

Lorsque chaque fragment de comète pénétrait dans l'atmosphère jovienne à une vitesse de 60 kilomètres par seconde, il s'est désintégré et a explosé, produisant une boule de feu chaude qui transportait la poussière de la comète ainsi que les gaz atmosphériques à haute altitude. Ces boules de feu étaient clairement visibles de profil, leur point d'impact réel se situant juste au-delà de l'horizon jovien vu de la Terre (Figure\(\PageIndex{5}\)). À mesure que chaque panache explosif retombait sur Jupiter, une région de la haute atmosphère plus grande que la Terre était chauffée à incandescence et brillait brillamment pendant environ 15 minutes, une lueur que nous avons pu détecter à l'aide de télescopes sensibles aux infrarouges.

Figure\(\PageIndex{5}\) : Impact d'une comète sur Jupiter. (a) La « chaîne » d'objets blancs est constituée de fragments de la comète Shoemaker-Levy 9 qui approche de Jupiter. (b) Le premier fragment de la comète impacte Jupiter, avec le point de contact en bas à gauche sur cette image. Sur la droite se trouve la lune de Jupiter, Io. Le point tout aussi lumineux sur l'image du haut est le fragment de comète qui s'évase pour atteindre une luminosité maximale. L'image du bas, prise environ 20 minutes plus tard, montre les reflets persistants causés par l'impact. La grande tache rouge est visible près du centre de Jupiter. Ces images infrarouges ont été prises avec un télescope germano-espagnol à Calar Alto, dans le sud de l'Espagne.

Après cet événement, de sombres nuages de débris se sont déposés dans la stratosphère de Jupiter, produisant des « ecchymoses » de longue durée (chacune étant encore plus grande que la Terre) qui pouvaient être facilement observées même à l'aide de petits télescopes (Figure\(\PageIndex{6}\)). Des millions de personnes du monde entier ont regardé Jupiter à l'aide de télescopes ou ont suivi l'événement à la télévision ou en ligne. Une autre caractéristique d'impact moins importante a été observée sur Jupiter à l'été 2009 (et six autres depuis), ce qui indique que les événements de 1994 n'étaient en aucun cas uniques. L'observation de ces grandes explosions d'impact sur Jupiter nous aide à comprendre le désastre qui se produirait sur notre planète si nous étions touchés par une comète ou un astéroïde.

Figure\(\PageIndex{6}\) : Nuage de poussière d'impact sur Jupiter. Ces caractéristiques résultent de l'impact de la comète Shoemaker-Levy 9 avec Jupiter, observé avec le télescope spatial Hubble 105 minutes après l'impact qui a produit les anneaux noirs (le point arrière compact provient d'un autre fragment). Le bord intérieur de l'anneau extérieur diffus est à peu près de la même taille que la Terre. Plus tard, les vents sur Jupiter ont fusionné ces caractéristiques pour former une vaste zone qui est restée visible pendant plus d'un mois.

Pour les comètes dont la fin n'est pas aussi dramatique, les mesures de la quantité de gaz et de poussière dans leur atmosphère nous permettent d'estimer les pertes totales sur une orbite. Les taux de perte habituels peuvent atteindre un million de tonnes par jour à partir d'une comète active située près du Soleil, soit des dizaines de millions de tonnes par orbite. À ce rythme, une comète typique disparaîtra après quelques milliers d'orbites. Ce sera probablement le destin de la comète Halley à long terme.

Cette vidéo de History Channel montre une courte discussion et une animation de la série documentaire télévisée Universe, montrant la collision de la comète Shoemaker-Levy 9 avec Jupiter.

Concepts clés et résumé

Oort a proposé en 1950 que les comètes à longue période soient dérivées de ce que nous appelons aujourd'hui le nuage d'Oort, qui entoure le Soleil jusqu'à environ 50 000 UA (près de la limite de la sphère d'influence gravitationnelle du Soleil) et contient entre 10 ¹² et 10 ¹³ comètes. Les comètes proviennent également de la ceinture de Kuiper, une région en forme de disque située au-delà de l'orbite de Neptune et s'étendant jusqu'à 50 UA du Soleil. Les comètes sont des corps primitifs issus de la formation du système solaire externe. Une fois qu'une comète est déviée vers le système solaire interne, elle ne survit généralement qu'à quelques milliers de passages périhéliques avant de perdre toutes ses substances volatiles. Certaines comètes meurent de façon spectaculaire : Shoemaker-Levy 9, par exemple, s'est brisée en 20 morceaux avant d'entrer en collision avec Jupiter en 1994.

Lexique

Ceinture Kuiper

une région de l'espace au-delà de Neptune qui est dynamiquement stable (comme la ceinture d'astéroïdes) ; la région source de la plupart des comètes à courte période

Nuage d'Oort

la vaste région sphérique autour du Soleil d'où proviennent la plupart des « nouvelles » comètes ; un réservoir d'objets présentant des aphélies à environ 50 000 UA

Note

¹ Nous savons maintenant que toutes les comètes que nous voyons ne proviennent pas de la ceinture de Kuiper ou du nuage d'Oort. En 2017 et 2019, des astronomes ont découvert deux « comètes interstellaires » (nommées 1I/Oumuamua et 2I/Borisov) dont les orbites indiquaient qu'elles venaient de l'extérieur du système solaire ! (Oumoumua signifie éclaireur ou messager en hawaïen.)