Astéroïdes et comètes nous racontent l'histoire du Système solaire

Publié par Adrien le 27/10/2020 à 09:00
Source: CNRS INSU - Marie Perez
Si le mot astéroïde évoque pour beaucoup la disparition des dinosaures, l'objectif principal des recherches sur ces petits corps célestes n'est pas leur surveillance. Ces cailloux de l'espace sont certes étroitement surveillés par les scientifiques, qui vont bientôt tester une technique pour les dévier, mais c'est avant tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) parce qu'ils sont, avec les comètes, les plus vieux corps du Système solaire (Le système solaire est un système planétaire composé d'une étoile, le Soleil et des corps célestes ou objets définis gravitant autour de lui (autrement dit, notre système...) qu'ils fascinent tant les astrophysiciens ! À ce titre, ils peuvent en effet nous renseigner sur sa formation et son évolution. Après avoir longtemps dû se contenter de les observer avec des télescopes terrestres, les scientifiques ont réussi à envoyer des sondes les survoler, puis se poser sur leur surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement...), avant de pouvoir enfin en rapporter de petits échantillons sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et...). Que nous racontent-ils et comment les fait-on parler ?

D'où viennent les astéroïdes et les comètes ?

Les astéroïdes et les comètes font partie des petits corps célestes en orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.) autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les...) du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type...). Les astéroïdes sont, en grand majorité, des corps géologiquement morts composés de roches, de métaux et de glace (La glace est de l'eau à l'état solide.). Les comètes sont constitués d'un noyau de glace et de roche (La roche, du latin populaire rocca, désigne tout matériau constitutif de l'écorce terrestre. Tout matériau entrant dans la composition du sous-sol est...) qui entre en activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) par sublimation (passage de l'état solide à l'état gazeux) de la glace lorsqu'elles se rapprochent du Soleil. Se forment alors une chevelure - un halo entourant le noyau et constitué de particules de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend à...) et de poussière - et deux queues - deux trainées lumineuses, une de gaz ionisé et une de poussière - qui peuvent s'étendre sur plusieurs dizaines de millions de kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international. Il est défini comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en 1/299 792 458 seconde.).

Ces petits corps sont apparus il y a plus de 4,5 milliards d'années, peu après le Soleil, au sein du disque (Le mot disque est employé, aussi bien en géométrie que dans la vie courante, pour désigner une forme ronde et régulière, à l'image d'un palet — discus en latin.) de gaz et de poussière à partir duquel se sont formées les planètes. À l'origine, les planètes étaient également constituées de cette matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de l'espace et...) primitive, mais elles ont ensuite subi des processus d'échauffement, notamment de par leur grosse taille, qui ont transformé chimiquement la matière. Les petits corps sont restés suffisamment petits pour ne subir ce niveau d'échauffement, et leur composition actuelle est donc fidèle à celle d'origine. Cela fait d'eux les corps les plus primitifs que nous connaissons, les témoins des premiers instants du Système solaire.

De temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) en temps, des objets venus d'autres systèmes rendent brièvement visite à notre Système solaire, tels que l'astéroïde (Un astéroïde est un objet céleste dont les dimensions varient de quelques dizaines de mètres à plusieurs kilomètres et qui, à la...) interstellaire Oumuamua et la comète (En astronomie, une comète est un petit astre brillant constitué de glace et de poussière du système solaire, dont l'orbite a...) interstellaire Borisov, les deux seuls petits corps d'origine extrasolaire découverts à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit heure locale)...).


L'astéroïde Bennu photographié par la sonde OSIRIS-REx en décembre 2018 © NASA/Goddard/University of Arizona


La comète Hale Bopp et ses deux queues photographiée en 1997 © Geoff Chester

Comment les étudie-t-on ?

"La majorité de nos connaissances sur les petits corps proviennent d'observations faites depuis la Terre, explique Antonella Barucci, astrophysicienne planétologue au Laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation en astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des propriétés des...) (LESIA, Observatoire de Paris). Repérer la position d'un petit corps à différents instants grâce à un télescope (Un télescope, (du grec tele signifiant « loin » et skopein signifiant « regarder, voir »), est un...) permet de décrire sa trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et notamment par son centre de gravité.), et étudier sa variation lumineuse à l'aide d'un photomètre (Un photomètre est un appareil servant à mesurer les grandeurs lumineuses en fonction de la courbe de sensibilité de l'œil (courbe photopique pour une réponse...) nous donne sa période de rotation (La période de rotation désigne la durée mise par un astre (étoile, planète, astéroïde) pour faire un tour sur lui même. Par exemple, la Terre a une...). La photométrie produit également des courbes de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La...) dont l'inversion nous donne une idée de sa silhouette. Si l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être...) est suffisamment proche, on peut connaître sa taille et sa forme plus précisément en envoyant des ondes dans sa direction et en étudiant le signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit des temps par les hommes pour...) réfléchi (astronomie radar). Pour la composition chimique de sa surface, il faut faire appel à son spectre de réflexion et son albédo (L'albédo est le rapport de l'énergie solaire réfléchie par une surface sur l'énergie solaire incidente. On utilise une échelle graduée de 0 à 1, avec 0 correspondant au noir, pour un corps avec aucune réflexion, et 1 au...)." Le spectre de réflexion est la courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du plan, de l'espace usuels. Par exemple, les droites, les segments, les lignes polygonales et les cercles sont des courbes.) qui représente la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de choses.) de lumière réfléchie en fonction de la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.). L'albédo est le pourcentage (Un pourcentage est une façon d'exprimer une proportion ou une fraction dans un ensemble. Une expression comme « 45 % » (lue « 45 pour cent ») est en réalité la sténographie pour la fraction 45/100...) de la lumière reçue du Soleil qui est réfléchi. Selon les éléments chimiques présents en surface, certaines longueurs d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie...) vont être plus ou moins réfléchies et l'albédo va être plus ou moins grand. Ainsi, les astéroïdes de type C, riches en carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.), réfléchissent davantage dans le bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs primaires. Sa longueur d'onde est comprise approximativement entre 446 et 520 nm. Elle varie en...) et sont extrêmement sombres (albédo autour de 3%) alors que ceux de type S, riches en matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) silicatés, présentent un pic dans le rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) et sont plus brillants (albédo entre 10% et 20%).


Spectre de l'astéroïde 3 Juno de type S qui se trouve dans la ceinture d'astéroïdes entre Mars et Jupiter. L'intervalle de longueurs d'onde 0,62 - 0,78 µm correspond à la couleur rouge.

Récemment, les progrès de l'optique adaptative (L'optique adaptative est une technique qui permet de corriger en temps réel les déformations évolutives et non-prédictives d'un front d'onde grâce...) - une technique qui permet de corriger en temps réel la dégradation des images par la turbulence (La turbulence désigne l'état d'un fluide, liquide ou gaz, dans lequel la vitesse présente en tout point un caractère tourbillonnaire : tourbillons dont la taille, la localisation et l'orientation varient...) atmosphérique - ont permis à l'instrument SPHERE, installé sur le site du Very Large Telescope au Chili, de prendre des photos d'astéroïdes. Par exemple, en 2019, une photo de l'astéroïde Hygiea a mis en évidence sa forme quasi-sphérique, permettant de le reclasser comme la plus petite planète naine (En astronomie, une planète naine est un type d'objet céleste du système solaire, intermédiaire entre une planète et un petit corps.) du Système solaire.


Photo de Hygiea prise par SPHERE en 2019 © ESO/P. Vernazza et al./MISTRAL algorithm (ONERA/CNRS)

Les techniques décrites ci-dessus sont valables pour les astéroïdes et les comètes se trouvant loin du Soleil. Lorsque celles-ci se rapprochent de notre astre et entrent en activité, on étudie plutôt leur chevelure et leurs queues. Grâce au spectroscope ultraviolet (Le rayonnement ultraviolet (UV) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde intermédiaire entre celle de la lumière...) du télescope spatial Hubble (Le télescope spatial Hubble (en anglais, Hubble Space Telescope ou HST) est un télescope en orbite à environ 600 kilomètres d'altitude, il effectue un tour complet de la Terre toutes les 100...), on peut identifier les molécules de la chevelure, tandis qu'une observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le...) dans les domaines du visible et de l'infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde supérieure à celle de la lumière visible mais plus courte que celle des micro-ondes.) grâce à un télescope comme Alma permet d'analyser les ions présents dans la queue de gaz.

Les météorites - des fragments d'astéroïdes ou de comètes tombés sur Terre - sont également de précieux informateurs. En les étudiant, on a découvert qu'ils contiennent de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) et c'est ainsi qu'est née l'hypothèse de l'apport de l'eau sur Terre par les petits corps. "Néanmoins, il y a très peu de météorites issues de corps carbonés, appelées chondrites carbonées, qui arrivent jusqu'à nous car ces derniers sont extrêmement fragiles et ne résistent souvent pas à la dégradation de l'atmosphère ", rappelle Antonella Barucci. Les chondrites carbonées ne représentent ainsi que 4,6 % des chutes de météorites.

Pour combler nos lacunes, nous décidons donc, dans les années 1980, d'envoyer des missions spatiales observer les petits corps de plus près. Mais pas de trop près non plus: les premières sondes gardent leurs distances. En 1986, la sonde Giotto de l'ESA (l'agence spatiale (Une agence spatiale est un organisme d'État ayant pour but d'étudier l'Espace et de développer et gérer des programmes spatiaux) européenne) s'approche de la comète de Halley et prend la toute première image d'un noyau cométaire. En 1996, la sonde NEAR Shoemaker (NEAR Shoemaker (Near Earth Asteroid Rendezvous - Shoemaker) est une sonde lancée le 17 février 1996 par la NASA dans le but d'étudier en détails l'un des plus gros astéroïdes...) de la NASA (La National Aeronautics and Space Administration (« Administration nationale de l'aéronautique et de l'espace ») plus connue sous son abréviation NASA, est l'agence gouvernementale responsable du...) est lancée vers l'astéroïde Eros pour un rendez-vous d'un an autour de celui-ci avant de finir sa mission en se posant dessus en 2001. Et bien sûr, en 2014, l'atterrisseur (Un atterrisseur (lander en anglais) désigne en dans le domaine de l'astronautique un engin spatial embarqué dans un véhicule spatial destiné à se poser sur la surface d'un astre (ou d'un satellite)....) Philae de la sonde Rosetta (Rosetta est une sonde spatiale conçue par l'Agence spatiale européenne (ESA), ayant pour objectif de récolter des informations sur la comète...) de l'ESA atteint le sol de la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko.

Ces dernières années, de plus en plus de missions vers des petits corps sont proposées par les laboratoires aux agences spatiales. "Ceci est motivé par le fait que chaque nouvelle mission révèle un nouveau monde, tant notre compréhension de ces objets est encore limitée, explique Patrick Michel, astrophysicien et directeur de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne également le cadre...) CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public...) au Laboratoire Lagrange.Lorsqu'on a le privilège d'être l'un des premiers à visualiser les premières images d'un astéroïde par une sonde, on se sent comme un véritable explorateur à la découverte d'un nouveau territoire. Il faut du temps pour vraiment comprendre ce que l'on voit, ce qui est totalement fascinant. De plus, ces objets intéressent plusieurs communautés: les scientifiques, les personnes chargées de la défense planétaire (Un planétaire désigne un ensemble mécanique mobile, figurant le système solaire (le Soleil et ses planètes) en tout ou partie. Généralement les astres représentés sont...), et ceux qui les étudient pour les ressources qu'ils contiennent. Ainsi, peu importe l'objectif principal de la mission, les informations obtenues nourriront au moins ces trois communautés, ce qui les rend extrêmement enrichissantes."

Que nous apprennent les petits corps ?

Mais comment ces objets célestes permettent-ils de retracer l'histoire du Système solaire ? Voici quelques exemples.

"Lorsque la sonde Rosetta a analysé la composition chimique de la glace de la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko, on a découvert que les molécules organiques de la glace avaient une complexité et une abondance similaires à celles qui se trouvent dans les régions de formation des jeunes étoiles. C'est donc la même matière que celle des comètes qui contribue à la formation des étoiles et de leur cocon (Le cocon est l'enveloppe de la nymphe de certains insectes. On appelle aussi cocon le sac que les araignées construisent en y introduisant leurs œufs.) de poussière à partir duquel vont naitre les planétésimaux", explique Dominique Bockelée-Morvan, astrophysicienne et directrice de recherche CNRS au LESIA. Les petits corps sont donc bien les briques de base des systèmes planétaires, et en particulier de notre Système solaire.


Vue d'artiste (Est communément appelée artiste toute personne exerçant l'un des métiers ou activités suivantes :) de la sonde Rosetta lâchant son atterrisseur Philae sur la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko © ESA

L'étude du noyau de 67P/Churyumov-Gerasimenko a également été riche d'enseignements. Sa forme bilobée, assez courante chez les petits corps, indique qu'il est le produit d'une collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) lente (La Lente est une rivière de la Toscane.) entre deux comètes. Quant à sa grande porosité (entre 75 et 85%), elle signifie que ces deux comètes d'origine se sont formées par accrétion (L'accrétion désigne en astrophysique, en géologie et en météorologie l'accroissement par apport de matière.) de petits grains à faible vitesse (On distingue :). "Ce type de connaissance impose des contraintes aux conditions qui régnaient dans le Système solaire à l'époque et nous permet donc de mieux comprendre son évolution", précise Dominique Bockelée-Morvan.

Autre exemple: en observant la répartition des petits corps dans le Système solaire, les scientifiques ont pu valider la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une...) du grand Tack (ou grande virée de bord) selon laquelle Saturne et Jupiter auraient migré, au début de leur histoire, vers le Soleil jusqu'à la distance de Mars, avant de rejoindre leurs positions actuelles. Les petits corps contenant de la glace se sont formés loin du Soleil, sur la périphérie (Le mot périphérie vient du grec peripheria qui signifie circonférence. Plus généralement la périphérie désigne une limite éloignée d'un objet ou d'une chose.) du Système solaire, et on en retrouve pourtant aujourd'hui dans la ceinture d'astéroïdes entre Mars et Jupiter. Seule façon d'expliquer ce bouleversement de position: la migration des deux planètes géantes.

Pourquoi et comment rapporter des échantillons ?

Les instruments envoyés à bord des sondes permettent d'effectuer un certain nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de mesures in-situ, mais ils n'ont ni toutes les capacités, ni la précision de nos laboratoires terrestres. Pour aller plus loin, il est nécessaire de rapporter des morceaux de petits corps sur Terre. "Grâce aux retours d'échantillons, on peut réaliser une analyse à l'échelle microscopique et la relier aux observations macroscopiques, souligne Dominique Bockelée-Morvan. Cette vision d'ensemble est essentielle pour percer les mystères de ces objets." Mais la majorité des échantillons rapportés est conservée pour les générations futures qui auront des instruments encore plus puissants. Les retours d'échantillons fascinent et occupent ainsi des générations de chercheurs, comme ceux de la Lune (La Lune est l'unique satellite naturel de la Terre et le cinquième plus grand satellite du système solaire avec un diamètre de 3 474 km. La distance moyenne séparant la Terre de la Lune est de...) rapportés par les missions Apollo que l'on continue à étudier.

En 2006, la mission Stardust de la NASA rapporte de la poussière cométaire sur Terre et en 2010, la sonde Hayabusa de la JAXA (L'agence d'exploration aérospatiale japonaise (en japonais ?????????? — uch? k?k? kenky? kaihatsu kik? —, souvent dénommée par sa traduction anglaise Japan Aerospace eXploration...), l'agence spatiale japonaise, ramène des particules de l'astéroïde Itokawa. Des premières ! Motivées par ces réussites, les deux agences décident de retenter l'expérience, en visant cette fois des astéroïdes plus primitifs qu'Itokawa, et avec comme objectif de récupérer des échantillons plus conséquents. Hayabusa2, lancée en 2014 par la JAXA, devrait revenir sur Terre le 6 décembre 2020 avec deux échantillons d'au moins 100 mg de l'astéroïde Ryugu. Le retour d'OSIRIS-REx, lancée en 2016 par la NASA, avec à son bord entre 60 et 2000 g de l'astéroïde Bennu, est prévu pour 2023. Ryugu et Bennu sont des astéroïdes géocroiseurs, c'est-à-dire que leur orbite croise celle de la Terre. Ce sont également des astéroïdes du groupe C (carbonés), groupe dont on possède peu de météorites alors qu'il représente la majorité des astéroïdes. "Avec ces missions, on espère contribuer à répondre à deux grandes questions: comment notre Système est-il passé d'un disque de gaz et de poussière à un système planétaire (Un système planétaire (parfois appelé abusivement système stellaire) est composé de planètes et divers corps célestes inertes...), et comment la vie (La vie est le nom donné :) est-elle apparue sur Terre ? Caractériser les propriétés de surface et internes de géocroiseurs est également important dans le cadre de la défense planétaire, car selon leur constitution, les stratégies de déviation doivent être adaptées. D'autre part, l'étude rapprochée de ces deux astéroïdes est intéressante car il est possible qu'ils proviennent d'un corps parent. L'analyse des échantillons et leur comparaison va permettre de déterminer si cette possibilité s'avère robuste en réalité, ou seulement possible théoriquement. Cette hypothèse aura de fortes implications sur leur histoire et celle du Système solaire si elle se vérifie", indique Patrick Michel.

Mais quid des comètes ? Récupérer un échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents...) de comète est techniquement plus compliqué étant donné leur activité. Dans le cadre de l'appel à projets de l'ESA pour la période 2035-2050, Dominique Bockelée-Morvan a proposé une mission baptisée Ambition qui pourrait rapporter, pour la première fois, un échantillon de glace et de gaz cométaires. Dans la capsule de retour, la glace serait conservée à température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant...) cryogénique, et les gaz dans un conteneur (Dans le domaine du transport, un container (de l'anglais), parfois francisé en conteneur, est un caisson métallique, en forme de parallélépipède, conçu pour le transport de marchandises par...) hermétique. En attendant que le verdict de l'ESA tombe, elle attend avec impatience, comme bon nombre d'entre nous, le mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.) de décembre et le retour d'Hayabusa-2.


© Marie Perez


© Marie Perez
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