DE L'ASTRONOMIE : la ceinture de Kuiper et ses mystères

     Si d’aventure on le leur demandait, je crois que beaucoup de nos contemporains ne sauraient pas réellement situer la ceinture de Kuiper dans l’espace, pourtant tout le monde – ou à peu près – sait en réalité ce qu’elle est puisqu’il s’agit de la périphérie de notre système solaire, là où se situe la planète naine Pluton. La sonde New Horizons étant arrivée ces jours-ci à proximité de cette petite planète, il est intéressant de revenir sur cette part de notre système solaire que nous connaissons si mal et ce d’autant que l’hypothèse d’une planète fantôme susceptible d’y exister a récemment repris des couleurs.

La ceinture de Kuiper

     La ceinture de Kuiper, c’est loin, très loin, au-delà de la huitième planète du système solaire, Neptune, qui est déjà fort loin de nous puisque située à 30 unités astronomiques (ua). Rappelons qu’une ua, unité de mesure couramment utilisée en

astronomie, correspond à la distance Terre-Soleil soit environ 150 millions de km (très exactement : 149 600 000 km). Neptune est donc à environ 4,5 milliards de km ce qui est une distance difficile à concevoir : disons pour mieux en saisir la réalité que la lumière du Soleil met 4 heures et 10 minutes pour l’atteindre alors qu’elle ne met que 8 minutes pour éclairer notre planète. C’est donc dans ce lointain espace que commence la ceinture de Kuiper et on estime qu’elle s’étend jusqu’à environ 55 ua.

     Dans cet endroit, si faiblement éclairé par le Soleil et où celui-ci apparaît à peine plus gros qu’une étoile, les scientifiques estiment que se trouvent des objets

multiples témoignant des premiers instants du système solaire : planètes naines comme Pluton et son satellite Charon, planétésimaux, comètes dont certaines viennent avec régularité visiter la partie plus centrale du système solaire, débris divers mal identifiés, poussières en tous genres, en fait tous des fragments du disque protosolaire qui, à cet endroit, n’ont pas réussi à former de véritables planètes.

     Il ne semble pas toutefois que ces objets, du plus petit (quelques grammes) au plus grand possible ici (moins de 3000 km de diamètre), soient distribués au hasard : l’essentiel de ces débris se situe entre 40 et 48 ua en raison d’un

phénomène de résonance orbitale. Oui mais c’est quoi, la résonance orbitale ? Eh bien, pour faire simple, disons que, lorsque deux corps gravitent autour d’un troisième, ils s’influencent mutuellement jusqu’à ce que leurs périodes de révolution aient des rapports de fraction entière simple. Prenons un exemple : Pluton, la planète naine, est influencée par Neptune selon une résonnance 2 : 3 ce qui veut dire que chaque fois que Neptune tourne trois fois autour du Soleil, Pluton tourne deux fois autour de lui… De la même façon, la présence de Neptune a structuré la ceinture de Kuiper et les objets qu’elle est susceptible de contenir en en modifiant les orbites et les trajectoires jusqu’à une distance de 42 ua à partir de laquelle son influence devient négligeable : c’est donc à cette distance que les objets peuvent exister sans que leurs orbites soient modifiées et c’est également là que l’on trouve plus des 2/3 des objets de la ceinture.

   Curieusement, la ceinture de Kuiper s’interrompt brutalement, vers 50 ua, avec la disparition des objets de grande taille et il est difficile de savoir s’il s’agit du début d’une lacune très large ou effectivement le bord extérieur de la dite ceinture : les scientifiques qui n’ont pas d’explications pour ce phénomène l’ont appelé « la falaise de Kuiper ». Signalons enfin que ce mécanisme de ceinture de débris n’est pas propre à notre système solaire puisqu’un phénomène analogue a été mis en évidence pour une vingtaine d’étoiles.

Le nuage d’Oort

     Ce sont les comètes qui ont permis de comprendre ce qu’était l’espace au-delà de la ceinture de Kuiper. Déjà, Halley (celui qui donna son nom à l’une des plus

célèbres d’entre elles) avait remarqué que les comètes revenaient éclairer nos cieux nocturnes de façon régulière et qu’elles devaient bien venir de quelque part. C’est l’astronome hollandais Oort qui, dans les années 1950, avança l’hypothèse que ces comètes régulières provenaient d’un lointain espace situé aux confins de notre système solaire. En effet, expliquait-il, on sait bien que, après plusieurs passages près du Soleil où elles perdent à chaque fois une partie de leur substance, les comètes sont détruites. Pourtant, on en voit toujours alors que depuis la formation du système solaire, il y a 4,6 milliards d’années, elles auraient dû toutes disparaître : c’est donc qu’il y a un réservoir de matière quelque part, un endroit qui recèle des milliards de noyaux cométaires… Oort sélectionna une quarantaine de comètes dont, après de savants calculs (répartition de l’inverse des demi-grands axes cométaires), il estima la provenance : entre 40 000 et 150 000 ua (soit à peu près de 0,6 à 2,4 années-lumière) ; le bord externe de cet espace est à l’extrême limite d’influence du Soleil, à plus du quart de la distance qui nous sépare de l’étoile la plus proche, la naine rouge Proxima (ou alpha) du Centaure… qui pourrait, elle-aussi, posséder son propre « nuage d’Oort » formant, pourquoi pas ?, un continuum avec celui du Soleil.

     Certains scientifiques ont avancé que le Soleil aurait un compagnon caché quelque part au-delà du nuage d’Oort, peut-être une naine brune (une étoile n’ayant pu « s’allumer » en raison de sa trop faible taille) ou une géante gazeuse située en dehors du nuage d’Oort mais qui y pénétrerait tous les 26 millions d’années entraînant alors un bombardement intense par des météorites des parties centrales du système solaire et donc de la Terre. On a même donné à cette hypothétique planète le nom de Némésis (du nom de la déesse de la colère des Dieux dans la mythologie grecque) mais aucune preuve de son existence n’a jusqu’à présent été trouvée. Néanmoins, une telle idée - une planète lointaine encore inconnue - peut-elle avoir des bases scientifiques ?

Une planète mystérieuse

    Parlant du nuage d’Oort, nous venons d’évoquer des distances de plusieurs milliers d’ua, un endroit si éloigné qu’aucune lumière provenant du Soleil n’y arrive jamais : là-bas, le Soleil est une étoile parmi les autres. De ce fait, n’importe quel objet, même de taille conséquente, pourrait s’y cacher sans qu’il soit visible de la Terre. Mais y a-t-il vraiment une planète à l’extrémité du nuage d’Oort ? Une planète qui aurait pu être rejetée là-bas, peu après la formation du système solaire, lors de, par exemple, la migration d’une des géantes gazeuses de notre système ? Depuis 200 ans environ, les scientifiques discutent du sujet, tantôt qualifié de « littérature de science-fiction », tantôt présenté comme étant la réponse aux indiscutables anomalies constatées par la communauté scientifique.

     Tout a en fait démarré avec la découverte d’Uranus en 1781 par Herschel ou plutôt par la constatation par Urbain Le Verrier, une soixantaine d’années plus tard, d’anomalies dans l’orbite de cette planète qui lui laissaient supposer qu’une autre planète existerait perturbant cette trajectoire. Il fit ses calculs et désigna un point du ciel où, à l’heure dite, on découvrit effectivement… Neptune.

     Toutefois, l’histoire ne s’arrête pas là car si Neptune explique bien certaines des anomalies constatées dans les mouvements d’Uranus, il reste des perturbations résiduelles qui ne peuvent être éliminées. On crut détenir l’explication du phénomène en 1930 avec la découverte de Pluton, alors baptisée la neuvième planète du système solaire. Mais l’astre est trop petit, trop peu influent pour expliquer les anomalies de la géante gazeuse (Pluton a été reléguée au rang de planète naine en 2006 ce qui fait que le système solaire ne compte à nouveau plus que huit planètes). Encore raté, donc.

     Il faut attendre 1993 et la mission Voyager 2 pour reparler de ces anomalies : la sonde ayant survolé Neptune en 1989, les calculs sont refaits et la masse de la planète est diminuée de près de 0,5 % ce qui permet d’expliquer les anomalies et, du coup, plus besoin d’une planète inconnue… On croit avoir enfin définitivement enterré l’hypothèse de la planète mystérieuse, baptisée planète X : il n’en est rien.

       En 2004, la découverte d’un planétoïde d’environ 1000 km de diamètre baptisé

Selma avait intrigué les scientifiques car le point de son orbite le plus proche du Soleil est quasiment aligné sur le plan de l’écliptique des autres planètes. Le plan de l’écliptique ? Il s’agit du plan de l’orbite terrestre autour du Soleil ; disons-le autrement : lors de la formation des planètes, celles-ci se sont toutes influencées de façon à ce que leurs orbites soient peu ou prou alignées dans une même zone autour de leur étoile et c’est cette zone circulaire que l’on appelle le plan de l’écliptique Oui, mais pourquoi Selma - qui est loin de toute influence massive des planètes centrales (il est hors de portée de l’attraction de Neptune) - a-t-il lui aussi un tel alignement ? Eh bien, répondirent bien des astronomes, c’est tout simplement dû… au hasard. Parce que le hasard, ça existe aussi, voyez-vous  ! On en resta donc là…

       … jusqu’en 2012 où deux astronomes américains mirent en évidence un gros astéroïde de 450 km de diamètre, appelé VP₁₁₃ qui présente lui aussi une orbite alignée sur ce même plan de l’écliptique. Du coup, on revoit sérieusement le problème : un objet, passe encore, mais deux ça fait désordre. S’il ne s’agit pas d’une erreur d’interprétation (et il ne semble pas que ce soit le cas), cela veut dire qu’un objet massif a influencé le positionnement spatial de ces objets et ce ne peut être Neptune, bien trop centrale : on repense évidemment à la planète X…

     Or cette hypothèse d’une planète massive rejetée en périphérie de son système solaire et qui tournerait autour de son étoile à l’extrémité de sa zone d’influence a déjà été mise en évidence : elle concerne une exoplanète nommée Fomalhaut b qui, comme son nom l’indique, orbite autour de Fomalhaut, une étoile blanche de la séquence principale située à 25 années-lumière de la Terre, dans la constellation du Poisson Austral. Et cette exoplanète, une géante gazeuse, située à environ 120 ua de l’étoile a été suspectée… en raison de l’organisation particulière d’un disque de débris. Cherchée durant 8 ans, son existence ayant été niée à plusieurs reprises, on a finalement réussi à la mettre en évidence : c’est même la première exoplanète détectée directement par la photographie optique…

     Alors, ce qui est vrai pour Fomalhaut, pourquoi cela ne le serait-il pas pour le Soleil ?

Pluton et au delà

     La ceinture de Kuiper et ce qui la prolonge sont vraiment du domaine de l’inconnu. La zone est lointaine et donc très mal éclairée par le Soleil, rendant de ce fait son étude à partir de la Terre très délicate. Même le télescope spatial Hubble a du mal avec cet endroit éloigné et glacé (il est vrai qu’il a surtout été conçu pour voir… beaucoup plus loin, aux confins de l’Univers). C’est dommage car la ceinture de Kuiper et après elle le nuage d’Oort sont des lieux passionnants pour ceux qui s’intéressent aux origines de notre système solaire : en effet, tout, là-bas, est resté « en l’état », c’est-à-dire dans la même situation et avec les mêmes éléments que lors de la formation du système, il y a 4,5 milliards d’années. Étudier ce monde lointain est capital pour la connaissance de nos origines…

     Heureusement, il y a les sondes. Justement, l’une d’entre elles, New Horizons,  entame l’exploration de ces mondes glacés et nous a déjà gratifié de photos

exceptionnelles de Pluton et de son satellite Charon : dans le meilleur des télescopes, Pluton nous apparaissait comme un petit point blême et voilà que la sonde nous donne les détails de ses montagnes, de ses différences de couleurs, de son absence surprenante de cratères, etc. mais New Horizons va très vite et, déjà, elle s’éloigne pour explorer d’autres objets.

     Le premier janvier 2019, New Horizons nous envoie les premières photos de l’objet céleste le plus lointain jamais observé par des yeux humains : Ultima-Thulé situé à une distance de 43,4 ua tandis que sa période de révolution autour du Soleil est d'un peu plus de 295 ans. Surtout, la sonde nous offre l'image d'un astéroïde binaire (composé de deux lobes accolés) primitif de la ceinture de Kuiper : la sonde nous enverra une foule de renseignements sur le petit objet tout au long des années 2019 et 2020.

     Les comètes qui viennent des bords du système solaire sont les témoins des débuts du système ? Eh bien, la sonde Rosetta, prend des photos de la comète Schuri mais, malheureusement, son module Philae parce que mal positionné lors de son "atterrissage" hasardeux ne pourra mener la mission jusqu'à son terme (prélévement d'échantillons notamment).

     Les sondes automatiques sont probablement l’avenir pour l’exploration de ces endroits si inhospitaliers et l’aventure ne fait que commencer  !

Sources

1. fr.wikipedia.org

2. revue Science & Vie, 1162, juillet 2014

3. Encyclopaedia Britannica

4. Ciel des Hommes (www.cidehom.com)

Images

1. Pluton par la sonde New Horizons, le 13 juillet 2015 (sources : NASA)

2. ua (sources : moulindesetoiles.wordpress.com)

3. ceinture de Kuiper (sources : lastronimieselaraconte.fr)

4. Neptune (sources : le-système-solaire.net)

5. nuage d'Oort (sources : alex-bernardini.fr)

6. Urbain Le Verrier (sources : en.wikipedia.org)

7. plan de l'écliptique (sources : asctoussaint.sa.free.fr)

8. sonde New Horizons (sources : geeksandcom.com)

(pour lire les légendes des illustrations, passer le curseur de la souris dessus)

Mots-clés : sonde New Horizons - unité astronomique (UA) - Pluton et Charon - disque protosolaire - résonance orbitale - falaise de Kuiper - nuage d'Oort - Jan Oort - planète Némésis - Urbain Le Verrier

(les mots en gris renvoient à des sites d'information complémentaires)

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dernière mise à jour : 15 mars 2023