Ceinture de Kuiper - Définition

Vue d'artiste de la ceinture de Kuiper et du nuage de Oort.

La ceinture de Kuiper est une zone du système solaire s'étendant au-delà de l'orbite de Neptune, entre 30 et 50 unités astronomiques. Cette zone, en forme d'anneau, est sans doute composée de plus de 35 000 objets de plus de 100 km de diamètre, essentiellement situés dans le plan de l'écliptique. Sa masse totale est donc plusieurs centaines de fois supérieure à celle de la ceinture principale d'astéroïdes située entre Mars et Jupiter.

Il s'agit certainement des ultimes vestiges du disque d'accrétion à l'origine du système solaire. Les parties denses, à l'intérieur du disque, se sont condensées sous forme de planètes, alors que le bord externe, plus diffus, a produit un grand nombre de petits objets.

Un écrivain irlandais, astronome amateur, Kenneth E. Edgeworth avait publié des arguments similaires à ceux de Kuiper en 1943 et 1949. La ceinture est donc aussi quelquefois appelée ceinture d'Edgeworth-Kuiper en reconnaissance de sa contribution.

Découverte

En 1992 un corps céleste, nommé (15760) 1992 QB₁ est découvert au-delà des orbites de Pluton et Neptune. Dans les années suivantes on en découvrit plusieurs centaines d'autres.

Ces objets sont un échantillon de la ceinture de Kuiper nommée ainsi en l'honneur de l'astronome Gerard Kuiper, le premier à en postuler l'existence dès 1951. Il l'avait alors décrite comme la source des comètes à courte période de révolution (celles qui tournent autour du Soleil en moins de 200 ans).

En effet les comètes perdent une partie de leur masse à chaque cycle, elles ont donc une durée de vie limitée. Par exemple la comète de Halley, qui consomme un dix millième de sa masse à chaque révolution, a une durée de vie estimée de 500 000 ans, bien inférieure à l'âge du système solaire.

Depuis les travaux de Jan Oort en 1950, on pense que les comètes à longue période de révolution proviennent d'une zone extrêmement éloignée du soleil nommée Nuage d'Oort. Cette zone serait si lointaine que l'influence du soleil y est minime, la simple gravité d'une étoile passant à proximité pouvant suffire à perturber l'orbite des corpuscules qui le composent et éventuellement les transformer en comètes à longue période.

On supposait donc que les comètes à courte période étaient d'anciennes comètes à longue période dont la trajectoire avait été modifiée par l'action des planètes. Cette hypothèse n'expliquait cependant pas pourquoi les comètes à courte période avaient presque toutes une trajectoire dans le plan de l'écliptique alors que les comètes à longue période entrent dans le système solaire avec des angles quelconques.

En 1970, Paul Joss calcula que le mécanisme de modification de l'orbite d'une comète par une planète du système solaire est hautement improbable. Ces calculs seront confirmés par les simulations de Martin Duncan et Scott Tremaine en 1988. Pour ces astrophysiciens, cela revient à confirmer la théorie de Kuiper, qui postulait que les comètes à courte période viennent d'un anneau situé dans le système solaire externe. Notons que cela ne contredit en rien l'existence constatée des familles de comètes à courte période : les planètes géantes (surtout Jupiter) capturent bel et bien des comètes - ce n'est que leur provenance qui est affectée.

Depuis la découverte de (15760) 1992 QB₁, premier objet observé dans la ceinture de Kuiper, il est admis que les comètes à courte période proviennent de l'érosion progressive de cette ceinture par Neptune.

Enfin, la découverte de la ceinture a sans doute marqué la fin de la recherche de la planète X, censée suivre la neuvième planète Pluton (reclassée en août 2006 au rang de planète naine). La présence de la ceinture explique à elle seule les anomalies orbitales de Neptune et d'Uranus. De plus le mécanisme de formation de la ceinture semble incompatible avec la concentration de matière nécessaire à la formation d'une planète.

Classification des objets

Les objets de la ceinture de Kuiper sont notés KBO (de l'anglais Kuiper belt objects) ou parfois TNO (trans-neptunian objects, objets transneptuniens).

En 2004, on en connaissait déjà près de 800, classés en plusieurs types :

• Les objets " classiques " (en anglais classical Kuiper belt objects, ou CKBOs) appelés cubewanos, dont (28978) Ixion, (47171) 1999 TC₃₆ (qui possède un compagnon) et (50000) Quaoar (le plus gros connu, avec environ 1 280 km de diamètre)
• Les plutinos (en anglais plutinos Kuiper belt objects ou PKBOs), objets en résonance 2:3 avec Neptune, dont Pluton est le plus gros représentant
• Les objets dans d'autres résonances que les plutinos : 1:2, 2:5, 3:4, 3:5, 4:5 ou 4:7
• Les objets épars (en anglais scattered Kuiper belt objects, SKBOs, ou scattered disk objects, SDOs), qui ont une orbite très excentrique, avec un rayon minimal proche du bord interne de la ceinture. Il est probable que les orbites de ces objets ont été perturbées, sans qu'on puisse dire par quel objet. Depuis 1999, on connaît suffisamment d'objets de ce type pour pouvoir parler d'une classe d'objets distincts des plutinos et des " classiques ". Quelques représentants de cette famille : (15874) 1996 TL₆₆ et (136199) Éris, qui est, avec ses quelques 2500km de diamètre, le plus gros objet transneptunien connu à ce jour.
• Enfin, un certain nombre d'objets qui n'entrent dans aucune de ces catégories.

Hormis les comètes, d'autres objets du système solaire proviennent sans doute de cette région. On estime ainsi qu'il est probable qu'un groupe d'astéroïdes particulier, les centaures, soit originaire de la ceinture de Kuiper. L'un d'eux, (2060) Chiron, est d'ailleurs une comète active. (il a donc la particularité d'être classé à la fois comme comète et comme astéroïde)

Résonance avec Neptune

Classification des orbites.

La résonance orbitale avec Neptune est le facteur principal de la classification des KBOs. La majorité (>600 objets en Novembre 2005) n’est pas en résonance. Ces objets, appelés classiques ou cubewanos, se trouvent entre la résonance 2:3 (~39.4AU; >140 plutinos) et la résonance 1:2 résonance (~47.7AU; 7 twotinos en anglais). La résonance 1:2 semble d’être une limite importante. Il reste à élucider s’il agit là réellement de la limite extérieure de la Ceinture Classique ou juste d’une division.

Il faut souligner que la distribution connue des objets pourrait être fausse par la limitation des observations aux objets près de l’écliptique . Même des objets avec une grande inclinaison de l’orbite (exemple 2004 XR₁₉₀) ont été découverts à leur passage près de l’écliptique. En plus, en majorité, les objets ont été détectés sur une partie de leur orbite plus proche du Soleil.

Pendant que les orbites excentriques des objets résonants les amènent souvent à l’intérieur de l’orbite de Neptune, les membres de la Ceinture classique restent sur des orbites plus circulaires.

Les grands cubewanos, plutinos et objets épars proches.

Le diagramme de droite montre les grands objets de la Ceinture : Pluton, les plus grands plutinos (Orcus et Ixion) et les plus grands cubewanos avec deux notables objets épars (au-delà de la résonance 1:2).

L’ excentricité des orbites est représentée par les segments rouges (de périhélie à aphélie) avec l’inclinaison représentée sur l’axe vertical.

Distribution des orbites des cubewanos, plutinos et les objets épars proches.

Le deuxième graphique montre la distribution des tous les objets connus de la Ceinture de Kuiper. Clairement visibles sont les familles des objets en résonance orbitale 2:3 (plutinos), 1:1 (astéroïdes troyens de Neptune), 2:5, 1:2 et d’autres résonances mineures. Les objets épars proches, au-delà de cette dernière résonance, sont aussi représentés. Voir aussi cubewanos.

Controverse sur le statut de la planète Pluton

Plusieurs corps de la ceinture de Kuiper ont une orbite qui croise celle de Neptune avec une configuration stable semblable à celle de Pluton.

Par ailleurs la composition chimique de Triton, le plus gros satellite de Neptune est très proche de celle de Pluton, ce qui semble indiquer une origine commune. Il est donc possible que ces deux corps aient vu leur orbite modifiée par la géante gazeuse.

En 2002 a été découvert dans la ceinture de Kuiper un nouvel objet, (50000) Quaoar qui vola à l'astéroïde (1) Cérès, en faisant abstraction des satellites naturels des planètes, son titre de plus gros corps du système solaire après Pluton. La taille de la planète devint alors moins exceptionnelle par rapport aux composants de la ceinture.

En 2005, on a découvert (136199) Éris, un corps lointain de la ceinture de Kuiper plus grand que Pluton: son diamètre est évalué à plus de 3300 km, un peu moins que la Lune. Avec ses 2100km, Pluton est donc aujourd'hui dépassé en taille par les plus gros représentants de la ceinture de Kuiper. Cette situation a relancé le débat sur le statut de Pluton et lors de la 26e assemblée triennale de l'Union astronomique internationale (UAI),le 23 août 2006, les membres ont voté en faveur du fait de donner à Pluton le statut de planète naine. Cette appellation sera applicable à l'astéroïde Céres et tous les gros objets de la ceinture de Kuiper.

Le congrès a, de plus, établi la definition du terme 'planète'. Voici le texte intégral qui a été adopté à Prague par les participants à l'assemblée triennale de l'Union astronomique internationale (UAI). (tiré de cyberpresse le 24 août 2006(http://www.cyberpresse.ca/article/20060824/CPSCIENCES/60824029/5143/CPSCIENCES) )

"Les observations récentes ont changé notre vision des systèmes planétaires et il est important que la nomenclature des objets reflète notre compréhension actuelle. Ceci s'applique en particulier à la définition d'une planète. Le mot planète désignait initialement les vagabonds du ciel, c'est-à-dire les points de lumière qui bougeaient par rapport aux étoiles. Les découvertes récentes nous conduisent à une nouvelle définition correspondant à l'état de nos connaissances".

"En conséquence, l'Union astronomique internationale (UAI) décide de répartir les planètes et les autres corps de notre Système solaire en trois catégories de la manière suivante :

1. Une planète (note 1) est un corps céleste, qui :
   • est en orbite autour du Soleil ;
   • a une masse suffisante pour que sa gravité l'emporte sur les forces de cohésion du corps solide et le maintienne en équilibre hydrostatique, sous une forme presque sphérique ;
   • a éliminé tout corps susceptible de se déplacer sur une orbite proche ;
2. Une planète naine est un corps céleste, qui :
   • est en orbite autour du Soleil ;
   • a une masse suffisante pour que sa gravité l'emporte sur les forces de cohésion du corps solide et le maintienne en équilibre hydrostatique, sous une forme presque sphérique ;
   • n'a pas éliminé tout corps susceptible de se déplacer sur une orbite proche ;
   • n'est pas un satellite ;
3. Tous les autres objets (note 3) en orbite autour du Soleil, à l'exception des satellites, sont appelés petits corps du Système solaire.

Notes :

• Les huit planètes sont: Mercure, Vénus, Terre, Mars, Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune.
• Une action spécifique sera organisée par l'UAI pour décider à quelle catégorie, planète naine et/ou autres classes, appartiennent les cas limites.
• Ceci inclut la plupart des astéroïdes du Système solaire, la plupart des objets trans-neptuniens (OTN), les comètes et tous les autres corps.

Conformément à la définition ci-dessus, Pluton est une planète naine. Il est identifié comme le prototype d'une nouvelle catégorie d'objets trans-neptuniens.

Composition

Il est difficile de connaître la composition d'objets si lointains. Néanmoins, plusieurs analyses spectroscopiques ont pu être faites. Certains objets, tels (15789) 1993 SC, semblent recouverts de méthane et d'autres hydrocarbures légers. D'autres, tels (19308) 1996 TO₆₆, semblent avoir de la glace d'eau à leur surface.

Pour l'instant, c'est tout ce qui est connu. De futurs survols par des sondes interplanétaires pourraient permettre un élargissement de nos connaissances à leur sujet.

Limite extérieure de la ceinture de Kuiper

Depuis 1998, un net déficit est apparu dans le nombre d'objets observés au-delà de 47 ua. Cela ne semble pas être un biais de l'observation et bien que tous les scientifiques ne soient pas d'accord sur cette explication, cela semble indiquer que la ceinture de Kuiper se termine vers 50 ua.

Cela ne signifie pas qu'aucun objet n'existe pas plus loin, ni n'exclut l'existence d'une deuxième ceinture de Kuiper plus éloignée. En fait, en 2004, la découverte de (90377) Sedna semble confirmer l'existence d'objets entre la ceinture de Kuiper et le lointain nuage d'Oort.

Notes et références