LESIA - Observatoire de Paris

Astéroïdes, comètes et objets transneptuniens

mardi 25 octobre 2011, par Dominique Bockelée-Morvan

Le Système Solaire abrite plusieurs populations de petits corps : les astéroïdes, les comètes et les objets transneptuniens. L’étude de la nature physique, la distribution, la formation et l’évolution des petits corps du Système Solaire est fondamentale si l’on souhaite comprendre comment les planètes se sont formées et en définitive comment la vie est apparue sur Terre. En tant que témoins primitifs restés intacts pour une grande partie d’entre eux depuis la formation du Système Solaire, ils nous donnent des informations sur le mélange chimique à partir duquel les planètes se sont formées, il y a 4.6 milliards d’années, et nous permettent d’appréhender l’origine du Système Solaire.

Les astéroïdes

Image de l'astéroïde (21) Lutetia prise par la sonde Rosetta.
Image de l’astéroïde (21) Lutetia prise par la sonde Rosetta.

Crédits : ESA ©2010 MPS for Osiris team MPS/UPD/LAM/IAA/RSSD/INTA/UPM/DASP/IDA

Les astéroïdes sont de petits corps rocheux dont la majeure partie se situe dans la Ceinture Principale, entre 2,1 et 3,4 UA du Soleil. Un certain nombre évoluent sur les orbites de Mars et Jupiter, comme par exemple les Troyens, aux points de Lagrange de Jupiter. D’autres ont une orbite plus elliptique et peuvent s’approcher très près de la Terre : c’est le cas des astéroïdes de type NEO (Near Earth Objects).

Ces objets sont étudiés au LESIA par le biais de la photométrie et de la spectroscopie dans le domaine visible et infrarouge afin d’en déduire leur composition, leurs période et axe de rotation, leurs forme et densité, et les propriétés de leur surface. Les plus grands télescopes au sol et en orbite terrestre sont utilisés à cette fin. La caractérisation spectrale des jeunes familles dynamiques, ensembles d’objets qui résultent de la fragmentation récente d’un corps parent, permet d’étudier les phénomènes d’altération spatiale des petits corps (space weathering), la structure interne et la composition de leurs corps parents.

L’étude des géocroiseurs est essentielle pour déterminer leur région d’origine et leur évolution dynamique dans le Système Solaire, et définir les actions destinées à minimiser les risques associés à un impact d’un astéroïde de grande taille sur la Terre. Plusieurs concepts de missions spatiales vers un astéroïde géocroiseur ont été développés par le LESIA, dont la mission MarcoPolo-R sélectionnée dans le cadre du programme Cosmic Vision 2 de l’agence spatiale européenne (ESA) pour une étude de faisabilité.

Les comètes

La comète C/1995 O1 (Hale-Bopp) le 6 avril 1997
La comète C/1995 O1 (Hale-Bopp) le 6 avril 1997

Crédit : Nicolas Biver

Les comètes se sont formées dans les régions extérieures du Système Solaire et ont pu piéger les éléments volatils sous forme de glaces. Les observations des molécules composant les atmosphères cométaires permettent d’aborder les problèmes de l’origine des comètes, de la composition de leurs noyaux, des phénomènes de sublimation de leurs glaces, de la formation et du développement de leurs atmosphères. Le LESIA est particulièrement impliqué dans les observations spectroscopiques de ces molécules en radio et dans l’infrarouge. Il a une expertise de longue date dans la modélisation des processus physico-chimiques dans les atmosphères cométaires.

Un suivi systématique de la production de gaz de toute comète brillante est assuré par l’observation des raies à 18 cm du radical OH avec le radiotélescope de Nançay. Les observations de plus de 80 comètes sont accessibles dans une base de données. La composition chimique et isotopique des comètes est étudiée par spectroscopie millimétrique et submillimétrique, principalement à l’Institut de Radioastronomie Millimétrique (IRAM), au Caltech Submillimeter Observatory (CSO) et avec le satellite Odin. Ces observations sont complétées par des observations infrarouges. La distribution spatiale des molécules et des poussières dans les régions internes des atmosphères cométaires est cartographiée par des observations utilisant l’interféromètre du Plateau de Bure de l’IRAM et la Station Planétologique des Pyrénées (Pic du Midi), ce qui permet de localiser les sources de gaz à la surface du noyau et de mesurer ses propriétés rotationnelles.

Ces études mettent en évidence une grande diversité de composition des comètes. Aucune différence significative n’a été établie entre les comètes provenant du nuage de Oort et celles de la famille de Jupiter provenant de la ceinture de Kuiper. Les observations des comètes avec l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) porteront en priorité sur l’étude de la composition chimique et isotopique de la phase volatile des comètes de la famille de Jupiter, encore peu étudiées.

Page web de l’équipe comète

Les objets transneptuniens

Image d'artiste d'un gros objet de la ceinture de Kuiper
Image d’artiste d’un gros objet de la ceinture de Kuiper

Crédit : NASA

Les Objets transneptuniens (TNO, ou Objets de Kuiper) sont des petits corps en orbite autour du Soleil au-delà de Neptune. Pluton, aussi classifié planète naine, est l’un d’entre eux, et il est de loin le plus brillant à cause de sa taille (2300 km) et de son albédo élevé.

Plus d’un millier de ces objets ont été détectés à ce jour. Ce sont probablement les corps les plus primitifs du Système Solaire car ils contiennent le matériau thermiquement le moins perturbé. Les études menées au LESIA sont très diverses et complémentaires. Elles visent à caractériser la densité et l’extension radiale de la ceinture de Kuiper, son évolution dynamique et collisionnelle, la taille et la composition de ces objets, leurs propriétés thermiques, l’évolution de leur surface et de leur structure interne.

Pour l’étude de ces objets peu lumineux, les planétologues du LESIA utilisent les très grands télescopes, notamment le VLT de l’ESO et l’observatoire spatial Herschel de l’ESA fonctionnant dans le domaine infrarouge et submillimétrique. Une première taxonomie des objets a pu être établie sur la base des mesures de photométrie à différentes longueurs d’onde. La spectroscopie a permis de mettre en évidence les signatures de glaces d’eau cristalline, de méthane, de méthanol, d’ammoniac hydraté et d’azote solide. L’observation en ondes millimétriques et submillimétriques permet de mesurer la taille et l’albedo des objets, et de caractériser leurs propriétés thermophysiques.

La technique des occultations stellaires permet de mesurer avec une précision kilométrique la taille des objets les plus gros, comme Pluton, Eris et Varuna. Deux projets de photomètres multi-objets à fibres, l’un à l’OHP (projets MEFOS et Miosotys), l’autre sur un VLT de l’ESO (projet ULTRAPHOT) vont permettre d’évaluer la population des très petits objets transneptuniens (et au-delà, jusqu’au nuage de Oort) par recherche d’occultations stellaires en photométrie rapide.

La mission Rosetta

Image d'artiste de la sonde Rosetta
Image d’artiste de la sonde Rosetta

Crédit : ESA

La mission Rosetta a été lancée le 2 mars 2004 par l’ESA. La mission doit rejoindre le noyau de la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko en 2014, pour l’accompagner jusqu’à son périhélie en Août 2015. Le LESIA est impliqué au niveau instrumental dans la conception du spectromètre imageur visible et infrarouge VIRTIS sur l’orbiteur (réalisation de la voie haute résolution spectrale VIRTIS-H). Plusieurs planétologues du LESIA sont co-investigateurs des instruments OSIRIS (caméras) et MIRO (antenne micro-onde) sur l’orbiteur. Depuis son lancement, Rosetta a survolé (et observé) à plusieurs reprises le système Terre-Lune et une fois la planète Mars, pour obtenir l’accélération nécessaire à la poursuite de son périple. Le 5 septembre 2008, Rosetta est passée à 800 km de l’astéroïde (2867) Steins, un astéroïde de type assez rare composé essentiellement de silices et de basaltes. Les observations ont été un succès (cf. communiqué de presse ESA). Rosetta a survolé en juillet 2010 l’astéroïde (21) Lutetia, un gros astéroïde de 100 km de diamètre environ, révélant une grande variété de terrains sur sa surface et une géologie et composition complexes (cf. communiqué de presse ESA).

Les observations avec Herschel

Lancé en 2009, Herschel (site français ici), avec son miroir de 3,5 mètres de diamètre, est le plus gros télescope spatial jamais conçu. Il observe le ciel dans l’infrarouge lointain et le submillimétrique couvrant les longueurs d’onde de 55 microns à 0,6 millimètres. Les petits corps du Système Solaire font l’objet de plusieurs programmes d’observations.

La comète 103P/Hartley 2 vue par Herschel
La comète 103P/Hartley 2 vue par Herschel

Crédits : ESA/AOES Medialab ; Herschel/HssO Consortium

Le LESIA est fortement impliqué dans le programme-clé à temps garanti « Water and related chemistry in the Solar System », dont un tiers du temps est dédié à l’observation des comètes. Ce programme a permis la première détection de l’eau mi-lourde HDO dans une comète formée dans la ceinture de Kuiper, la comète 103P/Hartley 2. Le rapport deutérium sur hydrogène dans l’eau de cette comète est le même que celui des océans, relançant le débat sur l’origine de l’eau de notre planète.

Le LESIA est également fortement impliqué dans le programme clé sur le temps ouvert "TNOs are cool" qui a pour objectif principal de mesurer la taille et les propriétés thermophysiques d’une centaine d’objets transneptuniens. Ce programme sera poursuivi avec ALMA.

Les astéroïdes et les comètes cibles de missions spatiales, comme par exemple Lutetia, Steins et la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko, sont étudiés dans le cadre du programme MACH 10.


Thèses de doctorat en cours ou soutenues récemment sur cette thématique
Yannick Boissel soutenue en 2010 Exploration de la ceinture de Kuiper par occultations stellaires
Jérémie Boissier soutenue en 2007 Etude des comètes en interférométrie millimétrique
Felipe Braga Ribas débutée en 2010 Physique des atmosphères d’objets transneptuniens
Benoît Carry soutenue en 2009 Etude à haute résolution spatiale des gros astéroïdes
Florian Gourgeot débutée en 2010 Etude des surfaces des objets transneptuniens et des satellites glacés des planètes géantes
Francesca Demeo soutenue en 2010 Propriétés physico-chimiques des objets transneptuniens
Adeline Gicquel soutenue en Dec. 2011 Spectroscopie infrarouge cométaire : Analyse des observations de la comète 9P/Tempel 1 obtenues avec Spitzer lors de l’évènement Deep Impact
Aurélie Guilbert soutenue en 2009 Structure interne des objets trans-neptuniens, et son évolution
Chih-Yuan Liu débutée en 2008 Exploration de la ceinture de Kuiper par occultations stellaires en photométrie rapide - Projets MEFOS et ULTRAPHOT
Frédéric Merlin soutenue en 2007 Etude des processus physiques qui gouvernent l’évolution des petits corps glacés du Système Solaire
Arielle Moullet soutenue en 2008 Etude des atmosphères et des surfaces planétaires par interférométrie millimétrique : du Plateau de Bure à ALMA

info portfolio

Images de l'astéroïde (2867) Steins prises par la sonde Rosetta
Image d'artiste de la mission Marco Polo