Images détaillées d'un astéroïde “os de chien” très particulier

Grâce au Very Large Telescope de l'Observatoire Européen Austral (VLT de l'ESO), une équipe d'astronomes a acquis les images les plus nettes et les plus détaillées à ce jour de l'astéroïde Kleopatra. Ces observations ont permis à l'équipe de contraindre la forme tridimensionnelle ainsi que la masse de cet astéroïde particulier, semblable à un os de chien, avec une précision inédite à ce jour. En outre, leurs travaux offrent des clés de compréhension de la formation de cet astéroïde ainsi que des deux lunes qui orbitent autour de lui.


"Kleopatra est un corps véritablement unique dans notre système solaire", précise Franck Marchis, astronome à l'Institut SETI de Mountain View (États-Unis) et au Laboratoire d'Astrophysique de Marseille (France), qui a dirigé une étude sur cet astéroïde doté de lunes et d'une forme inhabituelle, publiée ce jour au sein de la revue Astronomy & Astrophysics. "L'étude de cas particuliers tel celui de Kleopatra permet à la science de progresser. En outre, la compréhension de ce système complexe et multiple d'astéroïde peut aider à une meilleure connaissance de notre système solaire."

Kleopatra orbite autour du Soleil depuis la ceinture d'astéroïdes située entre Mars et Jupiter. Les astronomes l'ont baptisé "astéroïde en forme d'os de chien" depuis que des observations radar datant d'une vingtaine d'années ont révélé qu'il se composait de deux lobes reliés par un "cou" volumineux. En 2008, Marchis et ses collègues ont découvert que Kleopatra était entouré de deux lunes, nommées AlexHelios et CleoSelene d'après les enfants de la célèbre reine d'Égypte.

Afin de mieux connaître Kleopatra, Marchis et son équipe ont utilisé des clichés de l'astéroïde acquis par l'instrument SPHERE (Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet REsearch) sur le VLT de l'ESO, en différentes époques comprises entre l'an 2017 et l'an 2019. L'astéroïde étant animé d'un mouvement de rotation, ils furent en mesure de l'observer sous différents angles et de créer les modèles 3D les plus précis à ce jour de la forme qu'il arbore. Puis, ils ont contraint la forme en os de chien de l'astéroïde ainsi que son volume, et constaté que l'un des lobes qui le composent était de dimensions supérieures à l'autre. Enfin, ils ont établi la longueur de l'astéroïde à quelque 270 kilomètres, ce qui représente la moitié environ de la longueur de la Manche.

Dans une seconde étude, également parue au sein de la revue Astronomy & Astrophysics et dirigée par Miroslav Brož de l'Université Charles de Prague en République tchèque, l'équipe a détaillé la méthode employée pour déduire des observations de SPHERE les orbites exactes des deux lunes de Kleopatra. Des études antérieures avaient estimé la forme de ces orbites. Mais les nouvelles observations effectuées au moyen du VLT de l'ESO ont montré que les lunes ne se trouvaient pas aux emplacements suggérés par les anciennes données.

"Ce problème devait être résolu", affirme Brož. "Car si les orbites des lunes étaient erronées, le reste l'était également, la masse de Kleopatra notamment". Grâce aux nouvelles observations et à une modélisation poussée, l'équipe est parvenue à correctement décrire l'influence qu'exerce la gravité de Kleopatra sur les mouvements des deux lunes et à déterminer les orbites complexes d'AlexHelios et de CleoSelene. Ces résultats leur ont permis de déterminer la masse de l'astéroïde et de constater qu'elle était inférieure de 35 % aux estimations précédentes.

En combinant les nouvelles estimations de volume et de masse, les astronomes furent en mesure de déterminer la densité réelle de l'astéroïde. La nouvelle valeur suggère une densité inférieure de plus de moitié à celle du fer, soit bien moindre que celle issue des estimations antérieures (1). La faible densité de Kleopatra, de composition vraisemblablement métallique, suggère que l'astéroïde est doté d'une structure poreuse et pourrait être un peu plus qu'un simple "amas de gravats". Cela signifie qu'il s'est probablement formé par accrétion de matériaux éjectés lors d'un impact géant.

La structure empilée de Kleopatra et sa rotation intrinsèque suggèrent en outre un possible scénario de formation de ses deux lunes. La vitesse de rotation de l'astéroïde est proche d'un seuil quasi critique, au-delà duquel il commencerait à se désagréger. Même de petits impacts sont susceptibles d'altérer sa surface. Marchis et son équipe pensent ainsi que de petits cailloux issus de la surface de l'astéroïde sont peut-être à l'origine d'AlexHelios et CleoSelene, ce qui impliquerait que Kleopatra a véritablement donné naissance à ses propres lunes.

L'acquisition des nouvelles images de Kleopatra et la capture des informations qu'elles renferment ont été permises par l'utilisation de l'un des systèmes avancés d'optique adaptative installé sur le VLT de l'ESO, qui opère depuis le désert d'Atacama au Chili. L'optique adaptative permet de corriger les distorsions générées par l'atmosphère terrestre, qui font paraître les objets flous - ce même effet se traduit par le scintillement des étoiles observées depuis la surface de la Terre. Grâce à ces corrections, l'instrument SPHERE fut en mesure d'imager Kleopatra - distant de plus de 200 millions de kilomètres de la Terre - bien que sa taille apparente dans le ciel avoisine celle d'une balle de golf située à une quarantaine de kilomètres.

Doté de systèmes d'optique adaptative avancés, l'Extremely Large Telescope (ELT) de l'ESO constituera l'outil d'imagerie idéal pour les astéroïdes lointains tel Kleopatra. "J'ai hâte de pointer l'ELT en direction de Kleopatra, de voir s'il est entouré d'autres lunes et d'affiner leurs orbites respectives afin de détecter d'infimes changements", conclut Marchis.

Notes:
(1) La valeur de densité nouvellement calculée s'établit à 3,4 grammes par centimètre cube. Auparavant, la densité moyenne de Kleopatra était estimée à 4,5 grammes par centimètre cube.