Un scénario sans collision pour le basculement d'Uranus

Publié par Michel le 11/02/2010 à 00:00
Source et illustration: Observatoire de Paris
Uranus est une planète très particulière du système solaire: son axe de rotation sur elle-même est presque dans le plan de son orbite autour du Soleil, au lieu d'en être quasi perpendiculaire, comme pour les autres planètes. Deux astronomes de l'Observatoire de Paris (L'Observatoire de Paris est né du projet, en 1667, de créer un observatoire astronomique...) proposent un mécanisme de résonance (La résonance est un phénomène selon lequel certains systèmes physiques...) avec un satellite (Satellite peut faire référence à :), aujourd'hui disparu, qui aurait fait basculer l'axe de rotation d'Uranus, lors de la formation du système solaire (Le système solaire est un système planétaire composé d'une étoile, le...).

Contrairement aux autres planètes du Système solaire, Uranus est couchée sur son orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps...): son axe de rotation est incliné de 97 degrés par rapport au pôle de son orbite. L'origine de cette forte obliquité est encore mal comprise. Cela constitue même l'une des questions les plus intrigantes concernant le Système solaire.

Le mécanisme généralement invoqué pour résoudre ce problème, est une collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de...) géante (Une étoile géante est une étoile de classe de luminosité II ou III. Dans le...) avec une protoplanète (Une protoplanète est un agrégat de matière important qui va donner naissance à...) de la taille de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...) à la fin de la formation de la planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de...). Mais la présence des satellites réguliers (Miranda, Ariel, Umbriel (Umbriel (U II Umbriel) est le troisième plus grand satellite d'Uranus. Il fut découvert en 1851...), Titania, Obéron) qui évoluent sur des orbites qui se trouvent pratiquement dans le plan équatorial d'Uranus suggère plutôt que le basculement (Le basculement, dans le domaine de l'astronautique, est l'inclinaison progressive d'un véhicule...) d'Uranus a eu lieu progressivement, et non pas à la suite d'une collision violente.

C'est sur ce constat que Gwenaël Boué et Jacques Laskar, de l'Observatoire de Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région...), ont étudié la possibilité qu'Uranus puisse basculer sans collision. Ils ont trouvé qu'un tel basculement a pu se produire pendant une phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) précoce de l'histoire du Système solaire, au moment où les planètes ont migré jusqu'à décrire les orbites que l'on observe aujourd'hui. Le nouveau mécanisme suppose qu'Uranus a possédé un satellite (Satellite peut faire référence à :) massif (Le mot massif peut être employé comme :) dans le passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble...) et que l'orbite Uranus a connu une période de forte inclinaison (En mécanique céleste, l'inclinaison est un élément orbital d'un corps en orbite autour d'un...).


Exemple d'évolution de l'axe d'Uranus lors d'un basculement dans un repère tournant à la vitesse de précession (La précession est le nom donné au changement graduel d'orientation de l'axe de rotation d'un...) de son orbite.
Le plan xy est le plan de référence. Le pôle de l'orbite se situe dans le plan xz, du côté des x négatifs.
Initialement l'axe d'Uranus est aligné avec l'axe z. Durant les phases de résonance,
l'axe effectue une rotation autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) de l'axe x, sinon il effectue une rotation autour de l'axe z.
Dans cette simulation, il y a deux périodes de résonance (courbe noire, puis verte + rouge)
séparées par une évolution non résonante (courbe bleue).
A la fin du basculement l'axe est incliné de plus de 80 degrés et sort de la résonance,
l'obliquité reste stable (courbe cyan).

Dans le Système solaire, les axes des planètes ainsi que les pôles des orbites ont un mouvement de précession similaire à celui d'une toupie ( Une toupie est un jouet destiné à tourner sur lui-même le plus longtemps possible, en...), ils décrivent un cône. Lorsqu'une planète est en résonance spin-orbite, c'est-à-dire quand son axe et son orbite évoluent à la même vitesse, elle peut basculer. Aujourd'hui, l'axe d'Uranus précesse très lentement, mais les chercheurs ont montré que la présence d'un satellite d'un centième de la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) d'Uranus situé à 50 rayons de la planète peut augmenter cette vitesse de précession d'un facteur 1000 ce qui permet alors la résonance.

Bien sûr, aujourd'hui Uranus ne possède pas de tel satellite mais les chercheurs supposent que le satellite qui a permis le basculement d'Uranus a été ensuite éjecté lors d'une rencontre proche avec une planète géante vers la fin de la phase de migration.

Pour vérifier ce scénario, Gwenaël Boué et Jacques Laskar ont effectué 10000 simulations numériques de la migration des planètes géantes, en suivant le modèle mis au point (Graphie) par les chercheurs de l'Observatoire de Nice. Dans ces migrations, l'ordre des planètes (La loi de Titius-Bode, ou loi de Bode, est une règle empirique reliant les rayons des orbites des...) est parfois modifié, et ils n'ont gardé que celles où l'ordre final des planètes correspond au système actuel. Ils ont ensuite sélectionné les scénarios dans lesquels l'inclinaison d'Uranus est suffisamment grande pour permettre le basculement. En fixant ce seuil à 17 degrés, et après avoir écarté les simulations conduisant à des systèmes trop instables, il ne restait plus que 17 simulations du Système planétaire (Un système planétaire (parfois appelé abusivement système stellaire) est...) en lice. Pour chacun de ces scénarios de migration planétaire (Un planétaire désigne un ensemble mécanique mobile, figurant le système solaire...), ils ont ensuite simulé la présence du nouveau satellite. Dans 2 % des cas, ce nouveau satellite permet alors le basculement d'Uranus et est ensuite éjecté par une rencontre proche avec une des autres planètes géantes.

Ce scénario permet d'expliquer non seulement pourquoi Uranus est couché sur son orbite, mais il résout aussi le problème du satellite manquant évoqué par des théories récentes de formation de satellites.
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