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Les comètes

Jan Oort vers 1975. Doc Jonathan S.Blair/NGS.

Le Nuage de Oort (II)

Parmi les quelque 350 comètes périodiques recensées à ce jour, on distingue les comètes à courte période, inférieure à 200 ans. On trouve principalement les comètes de la "famille Jupiter" dont l'aphélie se trouve à 5.2 UA et l'inclinaison moyenne de 12° sur le plan de l'écliptique. Ces comètes se déplacent comme les planètes, dans le sens direct. La plupart d'entre elles gravitaient probablement sur des orbites hyperboliques (excentricité >1) mais des perturbations gravitationnelles les ont transformées en ellipse de courte période (excentricité <1). Il n'existe pas de comète dont la période est comprise entre 20 et 27 ans.

Nous retrouvons un effet analogue à celui qui préside dans l'anneau de Saturne et dans la Ceinture des astéroïdes : Jupiter et Saturne créent un phénomène de résonance gravitationnelle qui empêche les objets de graviter sur certaines orbites.

En complément, 523 autres comètes forment le groupe à longue période, oscillant entre 200 ans et quelques millions d'années. L'excentricité de leur orbite ne dépasse pas 1.006 mais leur inclinaison est tout à fait aléatoire.

Environ 84 % des comètes apparaissent dans l’hémisphère Nord. Ce phénomène est à la fois lié au fait que les astronomes s’y trouvent en plus grand nombre que dans l’hémisphère Sud et qu’il y a plus d’observateurs actifs durant l’été boréal que durant l’hiver austral.

Ceci dit, l’analyse statistique des orbites des nouvelles comètes tend à démontrer que l’objet parent suit une orbite circulaire autour du Soleil. En fait toutes les théories confondues prédisent que l’on doit observer le même nombre de comètes à toute distance du périhélie étant donné la forte influence du hasard dans le jeu des perturbations stellaires.

Les enregistrements obtenus lors des missions spatiales vers Halley confirment l’hypothèse selon laquelle les comètes sont apparues dans la région Jupiter-Neptune avant d'être rejetées hors du système solaire sur des trajectoires paraboliques ou hyperboliques lors de la formation du système solaire, il y a plus de 5 milliards d'années.

Aspect général du Nuage de Oort. Voici la version annotée. La bande équatoriale évasée située entre 15-1000 UA représente la Ceinture de Kuiper tandis que la zone extérieure (10000-100000 UA) représente le Nuage de Oort a proprement dit. Document Pierre Carril/Novapix.

En examinant la distribution des aphélies des 86 comètes quasi paraboliques, dont l'excentricité est voisine de l'unité et dont les orbites sont connues avec une grande précision, on découvre la présence d'un maximum à la valeur de 50000 UA (0.8 année-lumière), ce qui correspond à une période de 4 millions d'années. Son interprétation, maintenant classique, aboutit au concept du nuage cométaire, appelé le "Nuage de Oort" en hommage à l’astronome hollandais qui suggéra son existence en 1950.

Pour être précis, historiquement c'est l'astronome estonien Ernst Öpik (le même qui décrivit le processus de combustion des météores dans l'atmosphère, qui calcula la densité d'une étoile dégénérée et écrivit des articles sur les possibilités de vie dans l'univers notamment) qui suggéra dès la fin du XIXe siècle l'existence d'un vaste nuage cométaire constitué de noyaux de roches glacés situé entre 5000 UA et plus de 100000 UA.

Ce "nuage" s'étendrait sur un rayon de 3 années-lumière (30 mille milliards de kilomètres) et selon les simulations de l'évolution dynamique des comètes réalisées par Paul Weisman, il devrait exister un population de 1800 à 2100 mille milliards de comètes dont la masse est estimée à environ 40 fois celle de la Terre. Au sein de ce nuage, les morceaux de roches et de glaces seraient séparés d'environ dix millions de kilomètres les uns des autres. La majorité d'entre eux sont rassemblés dans un noyau relativement dense qui réside dans le plan de l'écliptique.

Si nous rapportons les dimensions du Nuage de Oort à une échelle plus raisonnable 1015 fois plus petite, le demi-grand axe de l’orbite terrestre représente une distance de 0.15 mm au centre. A cette échelle Pluton se trouve à 6 mm de distance; le Nuage de Oort se situe entre 6 et 7.5 m de distance et la première étoile réside à... 41 m ! Les preuves de son existence sont donc loin d’être évidentes bien qu’à l’échelle de notre modèle réduit il doit exister une comète par millimètre cube. Elles évolueraient sur des orbites stationnaires, se déplaçant dans notre modèle de 3 mm tous les 1000 ans. Même à cette échelle microscopique les grandeurs et les échelles de temps sont déjà astronomiques !

Origines des perturbations

Si notre modèle renforce l’impression de vide dans le système solaire, ce qui est tout à fait réel, les comètes et tout le Nuage de Oort restent néanmoins sous l’emprise du Soleil. Seul un réservoir cométaire gigantesque peut expliquer le fait que certaines d’entre elles sont éjectées de leur trajectoire et pénètrent par hasard dans le système solaire, insensiblement attirées vers un Soleil qui ne se distingue pas des étoiles voisines.

Selon l'idée de Oort, dont le schéma est aujourd'hui accepté par tous, l'orbite des comètes peut être modifié sous l'influence de plusieurs facteurs, tous évidemment liés à des perturbations gravitationnelles.

- Les étoiles proches du Soleil dont les positions relatives évoluent sur une période d'un million d'années

- Les étoiles du disque de notre Galaxie poussées par la pression du noyau galactique,

- Les immenses nuages moléculaires proches constitués d'hydrogène froid et dont la masse est de loin supérieure à celle du Soleil.

Voyons dans le détail comme se déroule ce processus.

Le Soleil gravite autour de la Voie Lactée à quelque 220 km/s. Dans l'environnement du Soleil la différence de vitesses entre étoiles est d'environ 20 km/s. C'est cette différence de marche entre étoiles qui génère des perturbations gravitationnelles capables de modifier la trajectoire des comètes dans le Nuage de Oort.

Ainsi, pour une étoile semblable au Soleil passant à 1.63 année-lumière (0.5 pc) avec une vitesse relative de 20 km/s, le changement de vitesse est d'environ 1 m/s. Etant donné que les étoiles s'approchent de façon aléatoire du Nuage de Oort (mouvement dit brownien), parfois accélérant parfois ralentissant la vitesse des comètes, on comprend mieux qu'en l'espace de quelques centaines de millénaires et le passage de plusieurs milliers d'étoiles l'orbite des comètes soit drastiquement perturbé.

L'attraction gravitationnelle

Le mouvement brownien

Pourquoi ce changement de trajectoire est-il si lent malgré le nombre important d'étoiles gravitant dans notre banlieue ? Bien que les étoiles soient entraînées dans la circulation générale de la Voie Lactée, à l'échelle locale chacune est suffisamment isolée pour suivre une marche aléatoire. Par analogie au mouvement brownien dont une illustration figure ci-dessus, s'il suffit d'ordinaire de "N pas de longueur L" pour parcourir une distance D, dans une marche aléatoire la distance parcourue augmente comme la racine carrée de N.

S'il faut franchir une distance d'une année-lumière à une vitesse de 100 km/s, on peut franchir cette distance en 3 siècles tandis qu'il faudra 29 mille milliards de siècles (plus que la durée de l'Univers) dans une marche aléatoire car à l'image d'une personne ivre sa trajectoire va parfois à reculons. Une autre analogie est de considérer que si les étoiles proches provoquent chacune une accélération aléatoire de 1 m/s, pour entraîner un changement de vitesse 100 m/s il faut compter sur l'interaction de 10000 étoiles. Ces perturbations sont donc très lentes et se déroulent sur une échelle de temps compatible avec la vie de la Galaxie.

Enfin, le temps que met une perturbation pour infléchir la trajectoire d'une comète dépend de l'emplacement de la comète au sein du Nuage de Oort. Aux limites extérieures du nuage, au-delà d'une année-lumière, l'attraction du Soleil est si faible que les étoiles proches produisent de fortes perturbations. Ces marées gravitationnelles agissent comme un aimant et sont capables d'injecter des comètes à longue période dans le système solaire, certaines tombant sous l'attraction des planètes. En effet, dès la fin du XIXe siècle ont mis en évidence que les comètes orbitant sur des trajectoires paraboliques peuvent après un passage près de Jupiter, devenir des comètes à courte période, le champ gravitationnel de Jupiter agissant comme une fronde quand il ne les détruit pas.

De la même manière, lorsque l'inclinaison initiale de l'orbite est supérieure à 20° l’astronome et astrophotographe américain Edgard Everhart démontra que 50 % des comètes sont éjectées à grande vitesse du Nuage de Oort dans l'espace interstellaire et quittent définitivement le système solaire. Plus près du Soleil, les constituants du Nuage de Oort sont fermement maintenus par la gravitation et peuvent ne jamais ressentir l'attraction des étoiles proches.

La seconde source de perturbation est liée au champ gravitationnel engendré par le disque de la Voie Lactée. Etant donné qu'ici entre en jeu la force combinée de plusieurs dizaines de milliers d'étoiles, l'effet est comparable en magnitude à celui des étoiles proches du Soleil.

Enfin, occasionnellement mais cela est beaucoup plus rare, au cours de sa course autour de la Voie Lactée le Soleil peut traverser des nuages moléculaires géants de plusieurs centaines de masses solaires. Il va de soi que le champ gravitationnel d'une telle masse peut perturber le Nuage de Oort engendrant une averse massive de comètes qui plongeront jusqu'au plus profond du système solaire. Plus d'un astronome pensent que ce type de phénomènes, plutôt cataclysmique, aurait pu modifier notre écosystème au point de détruire la biosphère.

Bien que ces perturbations gravitationnelles soient très lentes elles sont néanmoins continues. Certaines comètes se rapprochent tellement du Soleil (environ 1 mm dans notre modèle) qu'elles deviennent visibles depuis la Terre. C'est ainsi que l'on peut découvrir de nouvelles comètes, pour citer la comète de Kohoutek qui apparut en 1973. C'est ce qui explique que chaque année quelques amateurs passionnés inscrivent leur nom en lettres de feu sur le velours noir du ciel. Vous trouverez dans le chapitre consacré aux techniques d'observation des méthodes qui vous permettront peut-être, un jour, de découvrir une comète...

Questions ouvertes

Quelle preuve a-t-on de l'existence du Nuage de Oort ?

N'étant pas en mesure d'explorer cette région lointaine du système solaire (même à la vitesse de 15 km/s, il faudra 300 ans pour que les sondes spatiales Pioneer et Voyager atteignent le Nuage de Oort et 3000 ans pour qu'elles le traversent), nous n'avons pas la preuve que le Nuage de Oort existe. En revanche, il existe une série d'observations indirectes attestant l'existence du Nuage de Oort. Comme nous l'avons expliqué, nous savons depuis 1932 grâce aux travaux d'Ernst Öpik, puis ceux de Jan Oort en 1950 qu'il doit exister un réservoir de comètes pour expliquer l'origine des comètes à longue période dont l'aphélie se trouve au-delà de l'orbite de Pluton. Cette source de comètes à longue période gravitationnellement liées au Soleil ne peut pas être interstellaire.

En outre, l'existence de roches dans la Ceintures de Kuiper (dont les orbites mesurent entre 30 et 100 UA) est probablement la continuation de ce réservoir de roches à l'intérieur du système solaire.

Argument tout aussi pertinent, on observe des configurations similaires autour d'autres systèmes protoplanétaires, autant d'indices indiquant qu'il s'agit de mécanismes communs liés au processus de formation stellaire.

Si l'existence du Nuage de Oort explique l'évolution orbitale des comètes, les raisons de son existence n'ont pas encore été élucidées. Les comètes sont un chaînon important dans la cosmogonie du système solaire. Leur confinement à grandes distances du Soleil leur permit de conserver leurs éléments constitutifs originaux ce qui explique la diversité de leurs composants.

Une question de chimie

En essayant de comprendre la nature des comètes dans la première partie de ce dossier, nous avons mis en évidence les lacunes du modèle Standard proposé par Whipple. Il a depuis été amendé mais comme d'habitude en science, le modèle ultime qui expliquerait l'évolution de n'importe quelle comète n'existe pas. Nos modèles actuels pêchent donc par approximation et nous imposent de revoir périodiquement nos copies, à chacune de leur visite pourrait-on dire.

Certaines comètes périodiques, comme Halley et West, malgré leur forme et leur structure ne corroborent pas l'hypothèse du Nuage de Oort. Le rapport d'abondance des deux isotopes du carbone que l'on retrouve dans leur chevelure, 12C et 13C confirme que ces deux comètes contiennent 25 fois plus de 12C que la moyenne du système solaire.

Pour les astronomes du mont Stromlo en Australie, Halley et West se sont formées au-delà de Neptune, peut-être même en dehors du système solaire où l'on retrouve le même rapport 12C/13C. Pour Suzan Wyckoff de l'Université d'Arizona, ce rapport isotopique signifie qu'une supernova à exploser près du Soleil lors de la formation du système solaire. Sa partie externe se serait ensuite séparée pour former les planètes géantes. Mais cette "pollution" protosolaire aurait dû laisser des traces dans les autres comètes périodiques. On devrait également retrouver des traces de plutonium dans les strates terrestres.

C’est la raison pour laquelle certains astronomes ont préféré imaginer l’existence d’un autre anneau, beaucoup plus proche, vers 40 ou 100 UA qui expliquerait plus facilement l’apparition et les paramètres orbitaux des comètes ainsi que les anomalies orbitales des planètes géantes. Il s'agit de la Ceinture de Kuiper que la sonde spatiale New Horizons devrait atteindre en 2026.

Avec le Nuage de Oort nous arrivons à l’extrémité du système solaire, au-delà duquel nous entrons dans l’espace interstellaire ou l’effet du Soleil n’a plus aucune influence car elle gommée par celle des étoiles proches qui devient dominante.

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