Plongeon dans la ceinture de Kuiper, « une des plus grandes structures de notre Système solaire »

Elle ne pèse pas lourd dans la balance
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Plongeon dans la ceinture de Kuiper, « une des plus grandes structures de notre Système solaire »
Crédits : PaulFleet/iStock

On continue de s’éloigner de notre Soleil pour s’intéresser à la ceinture de Kuiper. Elle s’étend sur plusieurs centaines de millions de km après Neptune et regroupe des centaines de milliers d’objets célestes, dont plusieurs planètes naines.

Dans le cadre de notre dossier sur le Système solaire, nous avons déjà évoqué la ceinture principale d’astéroïdes se trouvant entre Mars et Jupiter. Il y en a une autre, au-delà de l’orbite de Neptune, huitième et dernière planète de notre Système solaire.

Baptisée ceinture de Kuiper, elle est très éloignée du Soleil (et donc de la Terre) : entre 30 et 55 unités astronomiques… mais elle pourrait s’étendre encore bien davantage. Pour rappel, une unité astronomique ou « au » correspond à la distance Terre-Soleil, fixée à 149 597 870,7 km par l’Union astronomique internationale.

Elle regorge d’objets célestes – on parle aussi de transneptuniens ou TNO (Trans-Neptunians Objects) – mais « on en connait peu, car ils sont très loin de la Terre et très peu brillants », alors que c’est « l’une des plus grandes structures de notre Système solaire », indique l’Agence spatiale américaine (NASA).

Lire notre dossier sur le Système solaire :

Une « ceinture » prédite en 1951, confirmée 40 ans plus tard

Comme on peut s’en douter, cette ceinture doit son nom à un scientifique : Gerard Kuiper, astronome d'origine hollandaise, devenu américain en 1937. On parle aussi parfois de la ceinture d'Edgeworth-Kuiper en hommage à l’astronome irlandais Kenneth Edgeworth qui avait « mentionné des objets au-delà de Pluton dans des articles qu'il a publiés dans les années 1940 », explique la NASA.

Quoi qu’il en soit, Gerard Kuiper « suggéra, en 1951, que certaines comètes pouvaient provenir de cette région », explique l’Agence spatiale européenne (ESA). À l’époque, Pluton – découverte 20 ans auparavant – était toujours une planète.

Après la prédiction de Kuiper, il faudra attendre quarante ans pour que le premier objet (après le système double Pluton-Charon) soit découvert – en 1992, presque 20 ans après le décès de Kuiper – prouvant ainsi que sa théorie était fondée : il est baptisé Albion, après avoir eu comme désignation provisoire (15760) 1992 QB1.

Ceinture Kuiper Crédits : ESA

Des vestiges de la formation planétaire

L'astronomie se la raconte – un groupement de 19 laboratoires de recherche franciliens – explique la formation supposée de cette ceinture si particulière :

« Les TNO se sont formés dans un disque initialement dense au voisinage des planètes géantes. La "migration" des planètes, c’est-à-dire la variation importante de leur distance au Soleil au cours de leur histoire, a ensuite fortement perturbé la distribution des TNO. Les objets formés en deçà de l’orbite de Neptune, bousculés par le déplacement vers l’extérieur d’Uranus et Neptune, ont dû être diffusés dans toutes les directions.

Certains se sont retrouvés au-delà de Neptune sur des orbites excentriques et inclinées. D’autres ont été éjectés aux confins du Système solaire, contribuant ainsi à alimenter le nuage de Oort [nous y reviendrons dans le cadre de ce dossier, ndlr]. Les objets formés au-delà de l’orbite de Neptune ont été poussés vers l'extérieur par le déplacement progressif de Neptune, puis « capturés » dans les résonances avec la planète. »

Il s’agit principalement de morceaux de roches et de glaces, probablement des résidus de la formation des planètes, qui auraient été éjectés dans cette région lointaine suite à des interactions avec les quatre géantes (Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune) : « C’est une région d’objets qui auraient pu se réunir pour former une planète si Neptune n’avait pas été là. Au lieu de cela, la gravité de Neptune a tellement agité cette région de l’espace que les petits objets glacés n‘ont pas été en mesure de se rassembler pour former une grande planète ».

L’Observatoire de Paris précise néanmoins que « certains pourraient n'appartenir que récemment au système solaire, capturés du fait des perturbations gravitationnelles dues à des étoiles proches, mais ils resteront en orbite autour du Soleil à l'avenir ».

Ceinture de KuiperCrédits : Sciencetips et NASA

Une masse totale « pas spécialement impressionnante »

La plupart des objets de la ceinture sont petits, avec quelques dizaines de kilomètres de diamètre au plus, mais les scientifiques « estiment qu’il y a des centaines de milliers d’objets dans cette région dont la largeur est de 100 km ou plus » ; ils sont « particulièrement difficiles à observer parce qu'ils sont peu visibles et leur mouvement apparent est très lent. Il leur faut plusieurs siècles pour compléter une orbite autour du Soleil », ajoute l’ESA.

Plus de 2 000 objets transneptuniens ont déjà été catalogués par les astronomes, mais cela « ne représente qu’une infime fraction du nombre total d’objets que les scientifiques pensent être là- bas », reconnait la NASA. Dans tous les cas, la masse totale de la ceinture de Kuiper n’est « pas spécialement impressionnante » puisque, fin 2019, elle était « estimée à pas plus de 10 % de la masse de la Terre » par l’Agence spatiale américaine.

Comme ils sont très éloignés du Soleil, les transneptuniens ont subi moins d’évolutions que les objets de la ceinture d’astéroïdes qui se trouve à quelques unités astronomiques « seulement ». Ils sont donc très intéressants à étudier, car ils gardent en « mémoire » des informations sur la formation du Système solaire.

Pendant plusieurs années, Éris était plus gros que Pluton

Pluton était le plus gros objet identifié dans la ceinture de Kuiper… du moins jusqu’au début des années 2000 : « on a observé un objet encore plus gros. Il s'agit de 2003 UB313, que les scientifiques ont nommé " Xena " (d'après le nom de la princesse guerrière de la série télévisée) en attente de lui donner un véritable nom, Éris », affirmait l’Agence spatiale européenne début 2007… Mais Pluton n'est-il pas le neuvième plus gros objet actuellement identifié dans le Système solaire (après le Soleil évidemment) ? 

Oui, mais pendant quelques années la planète déchue avait aussi perdu ce titre. Le diamètre d’Éris était de plus de 3 000 km selon les premières estimations dans les années 2000, puis on est passé à 2 397 km avec les mesures du télescope spatial Hubble, 2 600 km avec Spitzer et enfin 2 326 km avec la méthode de l’occultation et à l’aide de plusieurs télescopes (en 2011).

Avec ses 2 370 km de diamètre – vérifié par la sonde New Horizon – Pluton garde donc la première place d’une très courte avance… du moins pour le moment. Les autres planètes naines de la ceinture de Kuiper – Makémaké et Hauméa – sont plus petites qu’Éris et Pluton, avec moins de 2 000 km. 

Dans tous les cas, et peu importe leur taille, l’ensemble des objets célestes de la ceinture de Kuiper ne peuvent pas prétendre à être des planètes, car ils n’ont pas « nettoyé » le voisinage de leur orbite. Or ce dernier point est une des règles fixées dans la définition de l'Union astronomique internationale.

Après son survol de Pluton à plusieurs dizaines de milliers de km/h, la sonde New Horizon a continué sa route vers la ceinture de Kuiper. Elle s’est intéressée à l'objet céleste 2014 MU69, alias Ultima Thulé, et nous a même envoyé une photo en « haute définition » (135 mètres par pixel). Pour la petite histoire, cet objet a été découvert en 2014, soit huit ans après le décollage de la mission.

ErisUltima Thule Kuiper
Éris et Ultima Thule, deux objets de la ceinture de Kuiper. Crédits ESA et NASA

Une gigantesque réserve de comètes

La ceinture de Kuiper est un gigantesque réservoir de comètes. Elles se sont formées au-delà de l'orbite de Neptune et sont restées sur des orbites relativement stables, mais elles peuvent parfois se transformer en comètes à courte période, tout en gardant leur faible inclinaison sur le plan de l'écliptique :

« Les comètes dites de la famille de Jupiter, de faible inclinaison et de période inférieure à 20 ans, auraient ainsi évolué à partir de la Ceinture de Kuiper, qui constituerait ainsi notre deuxième réservoir de comètes.

Certains astéroïdes ont été découverts entre Jupiter et Neptune, sur des orbites à forte excentricité : ce sont les Centaures. Ils pourraient être des objets en migration provenant de la Ceinture de Kuiper. L'un d'entre eux (2060) Chiron, présente même une activité cométaire (il a été renommé comme la comète 95P/Chiron) », explique le laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation en astrophysique.

Puisqu’on parle de famille d’objets, sachez qu’il existe aussi les « Plutinos » (dont fait évidemment partie Pluton) : ce sont des transneptuniens « en résonance 2:3 avec Neptune (c’est le cas de Pluton qui effectue deux révolutions autour du Soleil pendant que Neptune en réalise trois) ».

Le cas surprenant de Chariklo et de son mini système d’anneaux

Ce vivier d’objets célestes réserve parfois quelques surprises. C’est le cas de Chariklo, un petit corps du Système solaire qui est entré dans l’histoire de l’astronomie. Une équipe scientifique a découvert en 2014 qu’il disposait d’un mini système d’anneaux.

« Structurellement, il s’agit de deux anneaux minces, circulaires, partiellement transparents et séparés de 8 km. L’anneau intérieur, 2013C1R, a une largeur de 6 à 7 km. L’anneau extérieur, 2013C2R, est plus étroit et plus diffus avec une largeur de 3 à 4 km », explique l’observatoire de Paris. Or, « cet objet très sombre a probablement été éjecté, il y a moins de 10 millions d’années, du disque de Kuiper par des perturbations gravitationnelles d’Uranus ».

Chariklo
Crédits : Observatoire de Paris

Une étendue plus grande que prévu

Il est généralement admis que la ceinture de Kuiper s’étend entre 30 et 55 unités astronomiques par rapport au Soleil, mais elle pourrait être bien plus grande que cela. On citera par exemple une découverte de 2016, via une « méthode astucieuse » des occultations stellaires, d’objets de Kuiper qui étaient jusqu’alors « invisibles par d’autres méthodes ». On parle d’objets « épars » quand ils sont très éloignés (souvent à plus de 50 au), avec une orbite fortement excentrique. C’est par exemple le cas d’Éris.

Leur taille est de quelques centaines de mètres seulement, et deux d’entre eux sont situés au-delà de 100 au de notre étoile, ce « sont donc les objets les plus lointains qui soient connus dans le système solaire […] Ces détections montrent que la Ceinture de Kuiper est bien plus étendue que ce que l’on croyait », ajoutent les scientifiques.

100 unités astronomiques, soit près de 18 000 000 000 km, ça vous semble lointain ? Ce n’est quasiment rien comparé à un autre réservoir de comètes : le nuage d’Oort, situé à plusieurs dizaines de milliers d’unités astronomiques et qui sera l’objet de notre prochain article. On arrivera alors aux confins gravitationnels de notre Système solaire… avant de partir vers d’autres aventures dans l’Univers ?

Ceinture Kuiper nuage oort
Crédits : CNES

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