Le tango des étoiles

Ci-aprés figure le contenu scientifique de ce spectacle Art & Science donné le 10 août 2013 à Savères (31) en compagnie de Jorge Saraniche, musicien et Jean-Michel Hernandez, conteur.

[Intro à la guitare] Bonsoir à tous, et bienvenue à cette soirée consacrée à notre Système Solaire, aux objets le constituant, à leurs mouvements ... à leur danse diront certains.

Nous sommes le 10 août. A Savères, partout en France et dans le monde entier, cette soirée est consacrée aux étoiles filantes, à ces traînées lumineuses dans le ciel qui toutes semblent provenir d'un même endroit du ciel : la constellation Persée. Pour cette raison, ces traînées lumineuses ont été baptisées Perséïdes. Elles ont été pour la première fois observées en Chine en l'an 68 avant notre ère.

Ces traînées lumineuses résultent en réalité des multiples interactions entre particules de l'atmosphère terrestre et grains de matière extraterrestre. Ces grains de matière extraterrestre constituent les restes des derniers passages de la comète Swift-Tuttle à proximité du Soleil. Chaque année en effet, entre le 20 juillet et le 25 août, la Terre, dans son périple annuel autour du Soleil, rencontre les débris laissés par cette comète. Ces débris datent pour la plupart d'un millier d'années ; quelques autres résultent du passage de la comète en 1862. Des simulations de l'orbite de la comète indiquent qu'elle finira presque sûrement par entrer en collision avec la Terre ou la Lune, mais probablement pas avant mille ans.

Sous forme de croissant, la Lune dévoile sa surface cratérisée.

[Intermède artistique]

A l'instar des autres objets du Système Solaire que sont les planètes et les astéroïdes, cette comète orbite autour du Soleil central, selon une trajectoire elliptique. Sa périodicité est de 130 ans. Cela signifie que tous les 130 ans, elle passe à proximité du Soleil. Elle se retrouve alors exposée aux particules du vent solaire, à la radiation solaire ainsi qu'à la gravitation du Soleil. Son noyau s'entoure alors d'une sorte de fine atmosphère brillante constituée de gaz et de particules, appelée chevelure ou coma, souvent prolongée d'une traînée lumineuse composée de gaz et de poussières, la queue, qui peut s'étendre sur 30 à 80 millions de kilomètres.

Les comètes proviennent de deux réservoirs principaux : la ceinture de Kuiper et le nuage de Oort.

La ceinture de Kuiper est une zone du Système solaire qui s'étend au-delà de l'orbite de Neptune, entre 30 et 55 ua (1 unité astronomique = distance Terre-Soleil). A l'instar de la ceinture d'astéroïdes située entre les orbites de Mars et Jupiter, la ceinture de Kuiper est principalement composée de petits corps, restes de la formation du Système solaire, et d'au moins quatre planètes naines : Pluton, Eris, Makémaké et Hauméa. Si la ceinture d'astéroïdes est principalement composée de corps rocheux et métalliques, les objets de la ceinture de Kuiper sont majoritairement constitués de composés volatils gelés comme le méthane, l'ammoniac ou l'eau. La ceinture de Kuiper contiendrait plus de 70 000 corps de plus de 100 km de diamètre. Elle serait le principal réservoir des comètes périodiques dont la période de révolution est inférieure à 200 ans.
Le nuage d'Oort est un vaste ensemble sphérique hypothétique de corps approximativement situé entre 50 ua et 150 000 ua du Soleil, bien au-delà de l'orbite des planètes et de la ceinture de Kuiper donc. La limite externe du nuage d'Oort constituerait la frontière gravitationnelle du Système solaire ; elle se situerait à plus d'un millier de fois la distance séparant le Soleil et Pluton, soit à environ une année-lumière et au quart de la distance à Proxima du Centaure, l'étoile la plus proche du Soleil. Bien qu'aucune observation directe n'ait été faite d'un tel nuage, les astronomes, en se fondant sur les analyses des orbites des comètes, pensent généralement qu'il constitue le lieu d'origine de la plupart d'entre elles. A titre d'exemple, la comète Hale-Boppe en est issue.

Les comètes du Système solaire peuvent être grossièrement divisées en deux catégories, en fonction de leur période orbitale : les comètes à longue période proviendraient du nuage d'Oort ; parmi les comètes à courte période (inférieure à 200 ans), on distingue celles de la famille de Jupiter et celles de la famille de Halley : les comètes de type Halley seraient originaires du nuage d'Oort mais auraient été attirées vers l'intérieur du Système solaire par les géantes gazeuses ; les comètes de type Jupiter seraient issues de la ceinture de Kuiper.

Sur ce tableau réalisé par Giotto di Bondone, intitulé "Adoration des mages", et qui orne la chapelle Scrovegni de Padoue, figure une représentation de la comète de Halley, observée par le peintre en l'an 1301

[Intermède artistique]

L'on considère bien souvent que la ceinture d'astéroïdes principale, la ceinture de Kuiper et le nuage d'Oort constituent les restes de la formation de notre système solaire. Les planètes telluriques (Mercure, Vénus, Terre, Mars) et gazeuses (Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune) en constituent les produits en revanche. Quoi qu'il en soit, tous orbitent autour du Soleil central.

Aujourd'hui, tous ces corps sont relativement ordonnés, en équilibre gravitationnel les uns par rapport aux autres, sur des orbites stables donc, de sorte que les collisions ou les captures d'objet par gravitation planétaire sont devenues extrêmement rares. Mais cela n'a pas toujours été le cas ... A titre d'exemple, les simulations informatiques indiquent que les planètes Uranus et Neptune ne se sont pas formées à leurs emplacements actuels car la matière présente sur ces orbites n'était pas en quantité suffisante pour permettre l'apparition d'objets de masses aussi élevées. En réalité, ces planètes se seraient formées plus près de Jupiter puis auraient migré au début de l'évolution du Système Solaire. La migration de Neptune vers son orbite actuelle se serait traduite par l'expulsion de divers objets de la ceinture de Kuiper vers des orbites plus allongées et excentriques (Eris) et par la captation d'une lune (Triton). De la même façon, les astronomes pensent que la matière composant le nuage d'Oort s'est formée à plus grande proximité du Soleil puis a été dispersée loin dans l'espace, sur des orbites elliptiques ou paraboliques extrêmement allongées, au début de l'évolution du système solaire, suite aux effets gravitationnels des planètes géantes.

D'autres étoiles sont susceptibles de posséder leur propre nuage d'Oort. Les extrémités des nuages d'Oort de deux étoiles proches peuvent parfois s'interpénétrer, ce qui se traduirait par l'intrusion occasionnelle, voire l'arrivée massive, de comètes dans le Système solaire interne. Les interactions du nuage d'Oort du Soleil avec celui d'étoiles proches et sa déformation par les effets de marée galactique seraient les deux principales causes de l'injection de comètes à longue période dans le Système Solaire interne. Ces phénomènes disperseraient également les objets en dehors du plan de l'écliptique, expliquant la distribution sphérique du nuage d'Oort.

[Intermède artistique]

Le Soleil, les planètes de notre système solaire, la ceinture d'astéroïdes principale et les petits corps qui constituent la ceinture de Kuiper se situent grosso modo dans le plan de l'écliptique. Leur distribution suggère que tous sont issus du disque protoplanétaire qui se serait formé autour du Soleil après l'effondrement de la nébuleuse solaire, il y a 4,6 milliards d'années. Ce disque ne représente pourtant qu'1% de la matière qui constituait le nuage primordial de gaz et de poussières ! Le refroidissement progressif de ce disque a permis la condensation de petites particules de poussière et leur agglomération en planétésimaux, briques des futures planètes. Leurs masses respectives, sources de gravité, accrétèrent par la suite d'autres blocs de roches ou de glaces et formèrent des planètes rocheuses ou gazeuses, pour la plupart dotées d'une atmosphère. Puis les réactions thermonucléaires se déclenchèrent au coeur du Soleil ...

L'étoile Sirius et la constellation d'Orion dans le ciel Tarnais.
Au sein de la nébuleuse d'Orion, située à environ 1400 années lumière de la Terre,
les phénomènes stellaires (vents stellaires, explosions d'étoiles) sont si intenses et
fréquents que les systèmes solaires naissants disparaissent extrêmement rapidement.

En quelques dizaines de millions d'années seulement, l'ensemble des éléments du système solaire sont formés. Tous n'occupent toutefois pas la place que nous leur connaissons à l'heure actuelle. Il y a 4 milliards d'années, un phénomène de résonnance entre Jupiter et Saturne a généré la migration des planètes géantes, la création de la ceinture d'astéroïdes entre Mars et Jupiter, de la ceinture de Kuiper et du nuage d'Oort ... Ces perturbations occasionnèrent un intense bombardement météoritique qui dura une centaine de millions d'années. Au cours de cette période, la Terre recevait en moyenne une énorme météorite, d'un kilomètre de diamètre, tous les 20 ans (contre tous les 400 000 ans aujourd'hui). C'est ainsi que les océans terrestres se chargèrent en eau. En leur fond apparaîtra la vie, 200 millions d'années plus tard ...

[Intermède artistique]

La composition des noyaux cométaires reflète celle du Système Solaire à sa naissance. Étudier cette composition sera bientôt possible grâce à la mission Rosetta - du nom de la pierre dont l'étude permit à Jean-François Champollion de déchiffrer le système hiéroglyphique égyptien, voici près de deux cents ans. Cette mission, lancée en 2004, a pour objet d'étudier de très près la structure interne et la composition chimique d'une comète.

Reconstitution 3D de l'astéroïde Steins à partir des photographies prises,
au cours de son périple, par la sonde Rosetta. Sur ces photographies, l'astéroïde arbore la forme d'un diamant
de quelque cinq kilomètres de large. En outre, un vaste cratère d'impact orne sa partie supérieure.

Nous savons aujourd'hui que les comètes sont constituées d'un noyau de glace et de poussière. Ce sont des corps solides composés pour moitié de glaces (essentiellement l'eau, puis du monoxyde de carbone, dioxyde de carbone, méthane, éthane, acétylène) et pour moitié de matières météoritiques agglomérées. Ces glaces se subliment (lorsque la comète se trouve à une distance comprise entre 1 et 3 ua du soleil) sous l'action du rayonnement solaire et donnent naissance à la chevelure, puis aux queues. La chevelure, ou coma, est constituée d'atomes, de gaz et de poussières issus du noyau de la comète et libérés sous forme de jets de gaz. Une comète importante possède en général deux queues visibles : une queue constituée d'un plasma, rectiligne et se maintenant à l'opposé du Soleil (comme une ombre), poussée à haute vitesse (de l'ordre de 500 km/s) par le vent solaire ; une queue plus large constituée de poussières poussées par la pression de radiation solaire, et incurvée dans le plan de l'orbite par la gravité du soleil. Une queue d'hydrogène s'étend par ailleurs sur des distances considérables.

[Conclusion sur fond de guitare]

Si cette soirée a suscité en vous l'envie de mieux connaître ces petits corps du Système Solaire que sont les comètes, je vous invite, dès le mois de novembre prochain, à observer le ciel en direction du Soleil couchant. Vous y apercevrez sans doute la comète ISON, découverte en septembre 2012. Il est fort probable que cette comète provienne du nuage d'Oort, des confins de notre Système Solaire donc. Il est probable aussi qu'elle se désagrège à grande proximité de notre Soleil. Ce qui occasionnera un nouveau tango des étoiles filantes ...