ASTÉROÏDES

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[...]