ASTÉROÏDES
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Dynamique des astéroïdes
La ceinture principale des astéroïdes, située entre l'orbite de Mars et celle de Jupiter, a la forme d'un anneau dont l'épaisseur est de quelques centaines de millions de kilomètres. Elle contient un très grand nombre de petits corps voyageant depuis plusieurs milliards d'années sur des orbites elliptiques qui peuvent souvent se croiser ; par conséquent, ces petits corps ont subi des collisions réciproques.
Les excentricités e et les inclinaisons i des orbites par rapport au plan de l'écliptique ne sont en général pas négligeables. Les valeurs moyennes sont de 0,15 pour l'excentricité et de 80 pour l'inclinaison. L'examen de la distribution des demi-grands axes a des orbites dans la ceinture principale montre que la répartition des astéroïdes en fonction de leur distance au Soleil est loin d'être uniforme. Entre 2 et 3,3 ua, la ceinture principale est fortement peuplée, à l'exception de zones étroites, dites lacunes de Kirkwood (du nom du mathématicien et astronome américain Daniel Kirkwood, qui les a découvertes en 1867), qui correspondent à des orbites dont la période de révolution est en rapport simple avec celle de Jupiter (1/3, 2/5, 3/7 et 1/2). En revanche, la ceinture extérieure, comprise entre 3,3 et 5,2 ua, est pratiquement dépeuplée, et l'on observe cette fois des concentrations aux endroits où des orbites ont des périodes en rapport simple avec celle de Jupiter (2/3, 3/4 et 1/1).
Le problème est très complexe : comment peut-on expliquer les propriétés des ceintures externe et interne, si contradictoires ? On peut expliquer la structure de la ceinture externe. L'existence des planètes troyennes (en résonance 1/1 avec Jupiter) est expliquée par la théorie des points de Lagrange. Les expériences numériques montrent que, aux résonances 3/5 et 2/3, certaines orbites sont piégées et sont donc stables.
En ce qui concerne les lacunes de Kirkwood, il a fallu attendre longtemps avant de trouver des phénomènes expliquant leur formation. En effet, même en simulant numériquement, sur plusieurs centaines de millions d'années, l'évolution d'orbites fictives, celles-ci ne sont pas déstabilisées.
Quatre types d'explications ont été avancés :
– l'hypothèse statistique suppose que les astéroïdes restent très peu de temps dans les résonances, où leur vitesse est maximale ; la probabilité de les observer dans ces résonances est donc très petite, alors qu'est grande celle de les observer à l'extérieur des résonances, où ils séjournent plus longtemps, car leur vitesse est relativement faible ;
– l'hypothèse gravitationnelle considère que la planète massive Jupiter a expulsé les astéroïdes à partir de perturbations purement gravitationnelles ;
– l'hypothèse collisionnelle fait jouer le mécanisme gravitationnel, mais attribue un rôle important aux collisions entre les astéroïdes ;
– reste l'hypothèse cosmogonique ; si l'on admet que la masse de Jupiter a varié rapidement au cours de sa formation, on montre que les conditions dynamiques ont été modifiées, empêchant les astéroïdes de se former dans les résonances.
Les hypothèses statistique et collisionnelle ont été abandonnées, car elles aboutissent à la formation de lacunes plus étroites que celles qui sont observées. Au début des années 1980, une modélisation particulière du problème dynamique permit à Jack L. Wisdom de faire une avancée décisive en direction de l'hypothèse gravitationnelle. Il réussit à montrer que des astéroïdes fictifs placés dans la lacune 1/3 pouvaient être déstabilisés sur quelques centaines de millions d'années. Ce résultat remarquable a été confirmé par des intégrations numériques tenant compte des perturbations de toutes les planètes (hormis Pluton), et non plus seulement dans le cadre d'un modèle simplifié.
En fait, ces résultats sont maintenant compris et sont valables pour toutes les lacunes, à l'exception de la 2/1, pour laquelle l'hypothèse cosmogonique est encore d'actualité.
L'enjeu de ces résultats réside non seulement dans l'expulsion hors de la ceinture des astéroïdes Apollo ou/et Amor mais également dans la localisation des routes chaotiques suivies par les objets qui sont tombés sur la Terre, les météorites. Ces dernières sont en effet pour la plupart des débris d'astéroïdes.
Un autre mécanisme joue un grand rôle au cours des évolutions des astéroïdes. Il est fourni par les résonances séculaires. Ces résonances séculaires sont en effet la clef du mécanisme qui conduit aussi bien à la création des lacunes de Kirkwood qu'au transfert des objets Apollo-Amor et des météorites. En effet, les astéroïdes sont soumis à des perturbations, dites séculaires, qui agissent sur des durées de l'ordre du million d'années. Par leurs attractions gravitationnelles mutuelles, les planètes subissent des variations de la forme et de l'orientation de leurs orbites, mais elles produisent également des variations lentes (séculaires) de la forme et de l'orientation des orbites des astéroïdes. Un astéroïde sera en résonance séculaire avec une planète lorsque les durées (séculaires) des variations de l'orbite de astéroïdes et de celle de la planète seront dans un rapport commensurable. Les résonances séculaires les plus importantes sont celles qui mettent en jeu, avec un rapport égal à l'unité, les variations des angles repérant les nœuds et les périhélies des orbites des planètes et de l'astéroïdes considérés. Par exemple, la résonance ν6 implique que les vitesses moyennes des périhélies de Saturne et de l'astéroïde sont pratiquement égales.
On notera les grandes différences entre les résonances en moyen mouvement et les résonances séculaires. Ces différences sont temporelles et spatiales.
Temporelles, car les échelles de temps en jeu sont très différentes, de l'ordre de quelques dizaines d'années, pour les résonances en moyen mouvement, à plusieurs dizaines de milliers d'années, pour les résonances séculaires.
Spatiales, car, si les premières sont bien localisées pour des valeurs définies du demi-grand axe, les secondes forment une surface dans l'espace demi-grand axe, excentricité, inclinaison (a, e, i) qui traverse toute la ceinture. Il s'ensuit que la possibilité pour un fragment d'astéroïde d'entrer en résonance à la suite d'une collision est beaucoup plus grande. Déjà, le travail semi-analytique de l'astronome américain James G. Williams, dans les années 1970, et les expériences numériques des années 1980 avaient montré que les orbites des corps en résonance séculaire peuvent subir de fortes variations en excentricité et en inclinaison. Les orbites ainsi perturbées sont très différentes des orbites initiales et peuvent atteindre les orbites de Mars, de la Terre et de Vénus. Ces résonances séculaires seraient un mécanisme possible pour le transport d'astéroïdes et de débris d'astéroïdes de la ceinture principale vers la Terre ou vers le Soleil, qui s'avère être un cimetière d'astéroïdes vagabonds.
Finalement, les résonances séculaires traversent les résonances en moyen mouvement, d'où il s'ensuit les phénomènes classiques de chaos liés au recouvrement des résonances. C'est ce phénomène de chaos lent qui est responsable des lacunes de Kirkwood, bien que ce ne soit pas encore prouvé pour la résonance 2/1.
Une autre caractéristique importante de la distribution des astéroïdes fut découverte par l'astronome japonais Kiyotsugu Hirayama en 1918. Celui-ci remarqua que certains astéroïdes se répartissent en groupes ou familles (selon Hirayama) présentant des caractéristiques orbitales analogues. En effet, les membres supposés de ces familles gravitent pratiquement à la même distance moyenne du Soleil, avec des périodes de révolution orbitale très semblables. De plus, quand on a éliminé les effets des perturbations planétaires, c'est-à-dire que l'on a obtenu (en utilisant des méthodes de perturbations très complexes) des invariants (ou intégrales premières) du mouvement, les excentricités et les inclinaisons transformées ainsi en éléments dits « propres » des orbites respectives des membres se regroupent. Les membres de chaque famille sont interprétés comme étant les fragments résultants de l'explosion d'un gros astéroïde, et la similitude de leurs orbites serait le « souvenir » de leur origine commune. Cette théorie sur l'origine des familles est toujours d'actualité, et l'on pense que ces explosions sont la conséquence de collisions entre astéroïdes. Il est aussi intéressant de remarquer que la plupart des familles découvertes par Hirayama sont homogènes au niveau des types taxonomiques, ce qui confirme qu'un seul astéroïde parent est à l'origine des familles (et que ce « parent » avait une composition homogène).
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Écrit par
- Christiane FROESCHLÉ : astronome de première classe à l'Observatoire de la Côte d'Azur
- Claude FROESCHLÉ : astronome de première classe à l'Observatoire de la Côte d'Azur
- Patrick MICHEL : astrophysicien, directeur de recherche au CNRS, responsable de l'équipe TOP (Théories et observations en planétologie) du laboratoire Lagrange de l'Observatoire de la Côte d'Azur, responsable scientifique de la mission Hera de l'ESA
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