Version PDF recente (donnee au Lycee Pierre Termier, Grenoble,
janvier 2008) :
11.2 Mo (Systeme solaire et exoplanetes)
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Le nom même de Système Solaire semble paradoxal : il concerne a priori le soleil (système "solaire") et décrit en fait plutôt ses planètes. On attend toujours en effet d'une conférence sur le système solaire qu'elle vous permette de voir les magnifiques photos de planètes et de satellites que les sondes spatiales ont ramenées de leurs voyages ces dernières années, ainsi que les nouvelles images fournies par le télescope spatial.
Comme souvent dans le cas des paradoxes, cette apparente contradiction cache quelque chose d'important : on pense aujourd'hui que soleil et planètes font partie d'une même entité, d'un même... système. En fait les planètes sont le sous-produit de la formation d'une étoile. Le soleil est une étoile -comme il en existe beaucoup d'autres-, qui s'est formée à partir d'une grande masse de gaz tourbillonnante il y a 5 milliards d'années et les planètes se sont formées dans la foulée, de minuscules cailloux qui se sont agglomérés pendant que l'étoile centrale montait en puissance et se mettait à briller.
Aujourd'hui nous allons explorer la banlieue de cette étoile banale par ses propriétés physiques, et pourtant très particulière à nos yeux, et découvrir la poignée de cailloux magnifiques (presque des pierres précieuses !) qui lui tournent autour. Le soleil et les planètes, c'est un peu la montagne qui accouche d'une souris : 99.9% de la matière disponible au départ s'est retrouvée dans le soleil, un kilogramme de planète pour chaque tonne de soleil ! Or, ce qui distingue essentiellement le Soleil, c'est à dire une étoile, d'une planète, c'est justement la quantité de masse utilisée pour bâtir l'étoile ou la planète. Si la masse est trop faible (et dans Jupiter, c'est déjà le cas), la pression et la température au centre de l'astre, dues au poids des couches extérieures, sont trop faibles pour amorcer les réactions nucléaires dont on sait aujourd'hui qu'elles sont nécessaires pour assurer une source d'énergie intrinsèque suffisante à l'étoile. Dans le ciel d'été, étoiles et planètes semblent briller d'un même feu mais les étoiles brillent par elles-mêmes, tandis que les planètes ne brillent que parce qu'elles réfléchissent la lumière envoyée par le soleil.
Avant d'explorer les objets de ce système et de raconter pour chacun son histoire, de vous le présenter pour vous le faire mieux connaître, je voudrais aborder quelques généralités qui permettront j'espère de vous faire une idée plus précise du système solaire dans son ensemble, et d'éviter, pour moi comme pour vous, le risque d'une énumération ennuyeuse.
Pour commencer, on peut réaliser que notre système solaire ressemble un peu à un système double : le soleil et Jupiter sont les deux plus gros corps de ce système : si la masse du soleil vaut 1 (en fait 2 1030 kg, c'est à dire 2 milliards de milliards de milliards de tonnes et il en brûle 600.000 par seconde pour nous éclairer comme il le fait chaque jour), la masse de Jupiter vaut 1/1000 et toutes les autres planètes réunies comptent pour 4/10000, moins de la moitié de Jupiter !).
A propos, pour avoir une idée de ce que représente un milliard, on peut se dire que si vous comptiez 1, 2, 3, etc., chaque seconde, et ainsi jusqu'à un milliard, il vous faudrait plus de 30 ans pour arriver au bout de votre compte !
Une fois que l'on a mis de côté le soleil, il reste une pléiade de corps en orbite autour du soleil. Grosso modo, on peut rassembler ces corps en 3 familles : les planètes et leurs satellites, les astéroïdes et les comètes. Les planètes sont les objets qui décrivent une orbite autour du soleil, elles sont au nombre de 9, ce qui ne veut pas dire que ce sont les 9 plus gros objets du système solaire : plusieurs satellites de Jupiter, Ganymède et Callisto, sont aussi grands, sinon plus, que Pluton ou Mercure, qui sont, officiellement, des planètes. Ainsi on trouve dans le système solaire près de 25 corps dont la taille dépasse 1000 km. Les satellites sont des corps rocheux plus ou moins gros, de l'ordre de 100 jusqu'à quelques milliers de km, en orbite autour des planètes, et les astéroïdes sont aussi des "cailloux", de taille 1 à 1000 km, qui forment un groupe situé en orbite autour du soleil à mi-chemin entre Mars et Jupiter. Enfin les comètes sont des sortes de "boules de glaces" (de la "neige sale") de 1 à 100 km de taille, situées initialement très loin du soleil et qui, occasionnellement, changent d'orbite pour venir "plonger" sur le soleil le long d'orbites très excentriques.
Nous avons la chance de vivre une époque où la connaissance du système solaire a fait un bond plus qu'énorme dans les 2 dernières décennies. Ce bond est dû essentiellement au développement de l'ère spatiale, les sondes spatiales envoyées tous azimuts dans le système solaire depuis les années 1970 nous ont ramené une moisson de renseignements uniques sur pratiquement toutes les planètes du système solaire : seul Pluton n'a pas été visité (et il ne s'agit peut-être pas d'une planète au sens des 8 autres, c'est peut-être un gros astéroïde ou un ancien satellite de Neptune évadé). On a pu ainsi littéralement découvrir de nouveaux paysages. On s'est aperçu que la géographie qui servait à décrire la seule planète qu'on connaissait bien, la Terre, pouvait être utilisée pour décrire d'autres planètes ou satellites du système solaire : on y trouve des vallées, des montagnes, des canyons, etc. Évidemment, des différences existent, dues aux différences de composition des sols, à la présence ou (souvent) l'absence d'érosion, à la composition de l'atmosphère, etc. On dispose aujourd'hui de dizaines de milliers d'images des mondes du système solaire et c'est un peu à une séance de géographie planétaire que vous êtes conviés au cours de cette conférence. On peut par exemple comprendre en comparant Vénus, la Terre et Mars, quel danger nous fait éventuellement courir un réchauffement de la planète à cause d'une émission trop importante de CO2 due à l'activité humaine.
Avant d'entamer le tour du propriétaire, il reste à faire une petite mise à l'échelle : il n'est pas commode de mesurer les distances dans le système solaire avec des mètres ou des kilomètres. Pour arpenter l'univers, les astronomes aiment bien utiliser l'année-lumière, c'est à dire la distance que parcourt la lumière en un an. La lumière est très rapide, il lui faut une seconde pour aller de la Terre à la lune, et une année-lumière représente un chiffre suivi de pas mal de zéro lorsqu'on l'exprime en kilomètres : 9500 milliards de kilomètres. Une unité plus proche de nous est aussi utilisée, et peut servir à arpenter le système solaire : c'est la distance moyenne de la Terre au soleil, on l'appelle l'Unité Astronomique (notée UA) et elle vaut 150 millions de kilomètres. Ainsi, la lumière du soleil met 8 minutes pour parcourir la distance soleil-Terre. On peut ainsi repérer les distances des planètes depuis le soleil jusqu'au fin fond du système solaire en comptant combien de temps la lumière du soleil met pour atteindre ces planètes. La lumière mais aussi toute sorte de rayonnement, comme les ondes radio, voyagent à cette vitesse, et lorsque les sondes spatiales Voyager par exemple, ont atteint Jupiter, le dialogue Terre-sonde prenait pratiquement une heure et demie aller-retour ! Vous imaginez la conversation téléphonique "allo ?" - 3/4 d'heure - "oui ?" - 3/4 d'heure - "comment ça va ?" , etc..
Comment nous apparaîtrait le soleil depuis chaque planète ? Sur Terre, le diamètre angulaire du soleil vaut : 32 minutes d'arc (1/2 degré). Il peut être caché par le doigt tendu au bout du bras : 1 cm / 50 cm = 69 minutes d'arc (environ un degré).
Planète Distance (UA) Distance Soleil Taille (km) Poids relatif
(/lumière) (arcmin)
Mercure 0.4 3 mn 80 5000 0.4
Venus 0.7 6 mn 43 12000 0.9
Terre 1 8 mn 32 13000 1
Mars 1.5 12 mn 21 7000 0.4
Jupiter 5 40 mn 6 140000 2.5
Saturne 9 1H15 4 120000 1.1
Uranus 19 2H30 1.5 50000 0.9
Neptune 30 4H 1 50000 1.1
Pluton 40 5H20 0.8 3000 0.05
La limite en dessous de laquelle l'oeil ne distingue plus un point d'un autre point est de 1 minute d'arc environ. Cela veut dire qu'au delà de Neptune, on ne distinguerait plus le soleil d'une autre étoile dans le ciel, si ce n'est que cette étoile particulière brillerait beaucoup plus que les autres !
L'exposé sera organisé en tachant de suivre la structure du système solaire, comme à bord d'un vaisseau spatial parcourant le système du soleil vers l'extérieur. A l'intérieur du système solaire, on trouve des planètes qui ressemblent à la Terre, les planètes telluriques, constituées quasiment essentiellement de roche, jusqu'à l'extérieur du système où l'on trouve des planètes plus grosses, avec plus de gaz et relativement moins de roche, que l'on appelle les planètes gazeuses, ou géantes (dont Jupiter, la géante des géantes). A la frontière entre ces deux types de planètes, nous ferons un détour par les astéroïdes , entre Mars et Jupiter et nous finirons par les comètes qui sont des sortes de boules de glace froides qui de temps en temps plongent vers le soleil pour prendre un bain de soleil.
Pour certaines comètes, ça marche, le voyage leur plaît et elles reviennent périodiquement. Vous connaissez sûrement la comète de Halley, du nom de son découvreur, qui revient nous voir tous les 76 ans, et auprès de laquelle on a envoyé la sonde Giotto en 1985. Pour d'autres, le voyage se passe moins bien, je vous montrerai des images de la collision de la comète Shoemaker-Levy qui s'est abîmée dans Jupiter au mois de juillet 1994. Pour finir, nous verrons quelques images de ce qu'on soupçonne (ou espère) être d'autres systèmes solaires en formation autour d'étoiles autres que le soleil, notamment l'étoile [[beta]]Pic située à une cinquantaine d'années-lumière de nous.
Je ne m'étendrai pas sur le Soleil très longuement, je le mentionne car comment parler du système solaire sans lui ?! Je dirai juste que le soleil est une étoile, comme des millions d'autres étoiles dans notre galaxie. Il s'est formé il y a 5 milliards d'années en même temps que les planètes qui tournent autour (ou plutôt les planètes se sont formées en même temps que lui...). De là à déduire qu'il existe des planètes, éventuellement habitables, autour des milliers d'étoiles semblables au soleil dans l'espace, il y a un pas que beaucoup de gens aimeraient franchir, mais pour le moment, nous hésitons encore. On peut quand même dire qu'à l'observatoire de Grenoble, nous sommes nombreux à avoir le pied en l'air, en attendant de franchir ce pas qui nous montrera la première planète extra-solaire. Nous n'en sommes peut-être pas si loin...
Diapositive 1 : Le soleil tel que Galilée l'a peut-être observé quant il a mis l'oeil dans sa lunette, avec ses taches sombres qui sont des partie plus froides de sa surface, qui éclairent moins. Ces taches qui montraient que le soleil, et avec lui les mondes du ciel n'étaient peut-être pas aussi parfaits qu'on le croyait, marquent un des points de départ de l'astronomie, (l'astrophysique ) moderne. Il est à noter que le soleil est aujourd'hui la seule étoile dont on puisse voir aussi bien la surface. Les autres étoiles, même Proxima du Centaure notre plus proche voisine à 3 années-lumière, sont trop éloignées pour que l'on puisse distinguer autant de détails à leur surface, autrement dit en voir autre chose qu'un "point flou". Pour être tout à fait exact, il faut ajouter qu'on sait quand même aujourd'hui mesurer le diamètre de nombreuses autres étoiles par des techniques variées mises en oeuvre dans les télescopes et instruments modernes.
Diapositive 2 : A propos d'imperfections, en voilà de belles ! Si la Terre est bleue comme une orange, le soleil est une orange bien mûre sur ce cliché qui photographie une lumière émise par l'atome d'hydrogène (constituant principal du Soleil, comme de l'univers dans son entier), lorsqu'il est suffisamment chaud. Les grandes traces noires ne sont pas des déchirures de la surface du soleil mais des filaments de gaz plus froids qui lorsqu'ils sont situés entre la surface du soleil et nous, forment écran, et apparaissent sombres, et lorsqu'il sont situés de coté, sont éclairés par le soleil apparaissent brillants, une peu comme de la fumée de cigarette peut paraître brillante lorsqu'elle flotte autour d'une lampe.
Diapositive 3 : Pour donner l'échelle de taille relative des planètes et du soleil, voilà une dernière photo où l'on voit une éruption solaire, une grande arche de gaz qui se déploie au dessus du limbe solaire, la proéminence Grand Daddy photographiée en 1946. Cette arche fait quelques 200.000 km de hauteur (le diamètre du soleil fait environ 1 million et demi de km), et toutes les planètes du système solaire tiendraient à l'aise sous cette arc de triomphe !
Nous nous éloignons maintenant du soleil et nous allons rebondir de planète en planète.
C'est la planète la plus proche du soleil. Située à un bon tiers de la distance Terre- soleil, elle présente, comme tous les corps sans atmosphère, de nombreuses traces de cratères, signes des nombreuses collisions qui avaient lieu à l'époque où le système solaire s'est formé. Les seuls matériaux disponibles pour bâtir une planète sur une orbite si proche du soleil, donc si chaude, étaient forcément des éléments peu volatiles. Pas de trace de gaz ou de glace comme on en trouvera plus vers la périphérie du système, mais des matériaux lourds, réfractaires, des métaux (du fer par exemple), des silicates (du sable), etc. Mercure est donc un monde particulièrement dense, pratiquement aussi dense que la Terre. Si vous viviez sur Mercure, vous pèseriez une petite moitié de votre poids sur Terre. Il vous faudrait aussi un bon chapeau de paille ou une bonne doudoune car si le côté éclairé est porté à près de 200deg.C, le coté sombre se trouve lui à près de -200deg.C ! Et il vous serait difficile d'attendre la nuit pour vous rafraîchir ou le jour pour vous réchauffer car sur Mercure, le jour dure deux ans ! La planète tourne sur elle-même en 59 jours terrestres (24 heures) et autour du soleil en 88 jours terrestres. Par combinaison de ces deux rotations, il faut attendre 2 rotations de la planète autour du soleil avant de revoir le soleil repasser au zénith dans le ciel. Je ne veux pas entrer dans les détails et nous laisserons Mercure qui n'est guère plus qu'un petit caillou brûlé.
Les trois planètes suivantes sont beaucoup plus intéressantes. Elles se situent toutes les trois à des distances du soleil qui varient entre 0.7 et 1.5 Unités Astronomiques. Ces trois planètes possèdent toutes une atmosphère contenant du gaz carbonique (CO2), de l'azote (N2) et de l'eau (H2O). CO2 et H2O sont 2 gaz responsables de l'effet de serre et les trois planètes telluriques proches de la Terre ont connu des destins différents selon le fonctionnement de leur effet de serre. Or, C'est autour d'une distance de 1 UA du soleil et grâce à l'effet de serre que l'on peut rencontrer l'eau sous forme liquide. Et qui dit eau sous forme liquide, dit vie possible.
Certains disent que c'est la planète jumelle de la Terre, ce qui est plutôt sympathique pour une planète qui porte le nom de la déesse de l'amour ! Du point de vue taille, c'est presque vrai, son diamètre est quasiment égal à celui de la Terre, près de 12000 km. Elle possède également une atmosphère mais très dense (de l'ordre d'une centaine de fois la pression atmosphérique au sol) et très chargée en gaz carbonique CO2, avec des nuages d'acide sulfurique, c'est dire l'enfer qu'ont enduré les sondes qu'on y a envoyé ! Pendant longtemps, tout ce qu'on a pu voir de Vénus, c'est les nuages de son atmosphère, qui cachent complètement le sol. Il a fallu attendre les sondes Magellan qui sont allé cartographier au radar la surface de la planète, les ondes radio étant les seules à pouvoir traverser une couche aussi épaisse. Et cela donne une surface qui ressemble plus à ce que l'on voit sur Mars, avec encore une fois, des structures géographiques complexes, des volcans, des montagnes , des failles, signes d'une activité géologique importante. De manière générale, le sol de Vénus, que l'on peut voir sur des animations réalisées sur ordinateur, présente un aspect "adouci", avec beaucoup de contours arrondis, un peu comme on en trouve au fond des mers sur Terre. Cela est probablement dû à la forte pression qui règne à la surface de Vénus, 100 atmosphères, de l'ordre de la pression rencontrée à 1000 mètres de profondeur sous l'eau des océans terrestres. On pense que Vénus a connu un emballement de l'effet de serre dû au gaz carbonique présent dans son atmosphère. Sa température est trop élevée pour maintenir l'eau à l'état liquide à sa surface, du coup le CO2 ne peut pas être dissout dans les océans comme sur Terre, la température augmente, ce qui augmente encore la quantité de vapeur d'eau dans l'atmosphère, donc l'effet de serre, etc. Vénus est aujourd'hui totalement inhabitable.
Ah, le plancher des vaches ! C'est encore aujourd'hui le seul endroit connu de l'univers où existe la vie, végétale, animale ou ... humaine. On commence à avoir un peu cherché dans le système solaire et partout on a rencontré des conditions d'existence... qui n'en sont pas ! Aucune des planètes connues ne semble abriter la vie, pas même de micro-organismes (on en a cherché -sérieusement- sur Mars), les expériences n'ont rien donné de probant. On a d'ailleurs assez vite abandonné les précautions drastiques prises lorsque les premiers astronautes sont revenus de la lune, à l'époque où l'on craignait que des virus inconnus ne viennent de l'espace ou d'une autre planète contaminer la terre. C'est même à l'opération inverse que l'on s'emploie aujourd'hui : on stérilise soigneusement les sondes que l'on envoie dans l'espace afin de ne pas contaminer le sol des planètes sur lesquels on les envoie.
Ce qui donne un aspect unique à la terre, c'est la présence d'eau à l'état liquide. La température régnant à la surface de la terre (température moyenne 15deg.C dont 33deg.C dus à l'effet de serre, indispensable) permet l'existence d'eau sous forme liquide. Cette eau existe essentiellement dans les océans (97 %) et faiblement dans les calottes polaires (2 %). Si elle était uniformément répartie sur la surface de la Terre, elle constituerait une couche de près de 3 km d'épaisseur. C'est dans l'eau des océans que s'est dissout le gaz carbonique qui a ensuite été stocké de façon compacte sous forme de carbonate de calcium (on en retrouve dans les coraux). ce gaz carbonique terrestre dissout, qui ne peut ainsi plus participer à la pression atmosphérique, correspond à près d'une centaine d'atmosphères, c'est à dire à des conditions analogues à celles de Vénus, la soeur jumelle juste un peu trop proche du soleil...
Si on supprimait la pellicule d'eau qui la recouvre, la planète Terre perdrait son aspect familier et se mettrait à ressembler à ces mondes inhospitaliers qui gravitent dans le système solaire.
Du point de vue géographique, on trouve sur Terre des formations géologiques comme des cratères, des montagnes, des vallées, des volcans, que l'on va retrouver, avec des variations bien sûr, sur toutes les planètes, ou plutôt sur tous les corps rocheux du système solaire. On trouve des cratères sur pratiquement toutes les planètes du système solaire, des montagnes sur Mars, sur Vénus, sur la lune, des vallées et des canyons sur Mars et les satellites des planètes géantes, des volcans en activité sur Io, des volcans éteints sur Mars et Vénus, des failles sur les satellites de Saturne Encelade et Tethys... On peut ainsi faire de la géographie planétaire comparée (ce pourrait être le sujet d'une conférence à part entière !)
Difficile de parler de la Terre sans parler de la Lune, située à une seconde-lumière de la Terre, elle semble former avec elle un système double, vue par dessus l'épaule de la sonde Voyager en route pour Jupiter. La Lune semble avoir joué un rôle important dans la stabilité de la rotation de la Terre, permettant ainsi une stabilité climatique qui a "donné du temps au temps" pour que la vie puisse se développer.
C'est la seule planète, ou satellite sur lequel la main de l'homme ait mis le pied ! Cinq missions Apollo ont réussi à emmener 10 Américains se promener sur notre satellite, et avec le recul et les difficultés que l'on rencontre aujourd'hui à envoyer de manière fiable des satellites dans l'espace, l'exploit d'Apollo apparaît extraordinaire. Même l'accident d'Apollo-13 constitue un exploit dans la mesure où les astronautes ont pu revenir sains et sauf sur Terre grâce au LEM qui a servi de "chaloupe de sauvetage" spatiale.
On peut explorer quelques aspects de la géographie lunaire grâce aux nombreux documents ramenés par les astronautes. Nous disposons aussi d'une centaine de kilos d'échantillon de roches lunaires et aujourd'hui, 25 ans plus tard, un quart à un tiers de ces échantillons seulement a été analysé ! La Lune tourne autour de la Terre en 28 jours environ, et lors de cette rotation, elle présente toujours la même face à la terre. La rotation de la lune sur elle même est synchronisée avec sa rotation autour de la terre. Comme pour Vénus et Mercure (dans une moindre mesure), cette synchronisation est due aux effets de marées de l'attraction gravitationnelle de la planète sur son satellite. La Terre et la lune sont légèrement allongées dans la direction qui les relie, et cela crée un mouvement de rappel qui "verrouille" la rotation de la lune sur sa rotation autour de la terre.
C'est peut-être la planète qui a le plus déchaîné les imaginations. Sur la planète Mars de notre fantaisie sont nés les martiens, les petits hommes verts de notre enfance. Sa couleur rouge est frappante et les observations faites depuis la Terre montrent des variations importantes de couleur au fil des mois dans l'année. Il se trouve en plus que Mars a quasiment la même période de rotation que la Terre, le jour dure aussi longtemps à une demi-heure près. Mars possède des calottes glaciaires dont l'étendue varie au fil des saisons. Toute cette "activité" sur Mars en a fait craquer plus d'un et après le rapprochement exceptionnel de 1877, où on a pu observer Mars de près, beaucoup de gens se sont passionnés pour le sujet. Après le directeur de l'observatoire de Milan qui annonce avoir découvert des canaux à la surface de Mars, Camille Flammarion construit son propre observatoire pour observer Mars. et aux États-Unis, un riche Américain, Percival Lowell abandonne la carrière diplomatique pour se consacrer à l'observation de Mars. C'est un peu comme le milliardaire Keck qui a donné de l'argent pour construire un télescope géant (10 m de diamètre) à Hawaii et qui fonctionne aujourd'hui mais pour faire de la vraie science. Lowell construit une lunette de 61 cm de diamètre (un instrument très puissant à l'époque), observe Mars sous toutes ses coutures et conclut que Mars est habitée et que les canaux servent à irriguer la planète depuis la calotte glaciaire ! On sait aujourd'hui que tout cela est faux, que les canaux ne sont même pas la contrepartie des sortes de rivières asséchées qu'on a découvert grâce aux sondes Mariner, puis Viking, mais à cause, ou grâce à ces inventions, Mars fait maintenant partie du folklore du système solaire. On peut citer l'histoire de cette personne qui avait promis une récompense au premier qui découvrirait une trace de vie intelligente sur une autre planète mais en excluant Mars, car c'était trop facile ! Ou encore rappeler l'émission de radio d'Orson Welles dans les années 40 qui avait simulé un reportage concernant une attaque des Martiens aux États-Unis en reprenant un scénario inventé par son presque homonyme Herbert George Wells qui avait écrit La guerre des mondes.
Sa couleur rouge est essentiellement due à l'abondance de fer dans la croûte martienne, qui a "rouillé"
Dans les faits, Mars possède une atmosphère elle ausi, mais très ténue (à peine 1% de la pression atmosphérique sur Terre), et très chargée en gaz carbonique. C'est la situation inverse de Vénus : Mars est juste un peu trop loin, juste un peu trop froide pour permettre à l'eau d'exister autrement que sous forme de glace, et l'effet de serre est insuffisant pour assurer un réchauffement de la planète.
L'eau est cependant présente dans l'atmosphère : 0.3 % de vapeur d'eau ce qui peut donner lieu à des nuages, et on connait des traces qui pourraient être celles d'anciennes rivières. Comme l'eau ne peut exister à l'état liquide du fait des conditions de température et de pression, il est ainsi possible que les "eaux de Mars" soient piégées sous forme de glace dans le sol, un peu comme dans le permafrost en Sibérie. Les images ramenées par les sondes Viking qui ont atterri sur Mars, montrent que du givre peut se déposer sur les rochers pendant la nuit. Les vents soufflent sur la planète dont la température peut varier dans une même journée de -100deg.C à 0deg.C. En conclusion, Mars reste très inhospitalière et les seules traces d'activité intelligente qui y existent aujourd'hui sont celles que nous y avons envoyés !
Enfin, Mars possède 2 satellites, Phobos et Deimos d'une taille de quelques dizaines de kilomètres, et qui s'apparentent plutôt à des astéroïdes qu'à des "lunes".
Si on se déplace dans le système solaire en partant du soleil et en allant de plus en plus loin, on s'aperçoit que les planètes ne sont pas disposées au hasard. Il existe une sorte de régularité dans les tailles successives des orbites des planètes : grosso modo, en multipliant la taille de l'orbite de la planète précédente par un facteur de l'ordre de 1.7, on trouve la suivante. Ainsi, on trouve d'abord Mercure à 0.4 UA, puis Vénus à 0.7 UA, puis la Terre à 1 UA, puis Mars à 1.5 UA, puis ... là ou devrait se trouver la suivante, à 2.7 UA si la loi était respectée, on ne trouve rien ! Puis ça recommence : Jupiter est à la "bonne" place, à 5 UA, Saturne aussi, à 9 UA, Uranus également, à 20 UA. C'est l'Astronome Tietz -Titius- qui avait remarqué cette relation en 1777, puis le directeur de l'observatoire de l'époque (à Berlin), J. Bode, a souligné tout l'intérêt de cette relation et elle s'appelle aujourd'hui le loi de Titius-Bode, voire loi de Bode. Aujourd'hui cette "loi" n'a plus guère qu'un intérêt historique, on a compris qu'elle représentait simplement une "auto similarité" du système solaire à différentes échelle, en gros, c'était une loi mathématique qui avait l'ait de traîner comme ça dans le système solaire et aujourd'hui on a compris quelle physique était caché derrière.
Mais à l'époque, on a utilisé la loi de Bode en aveugle pour trouver des planètes ! C'est à dire qu'on faisait confiance à cette relation sans vraiment la comprendre et on a cherché à trouver des planètes qui auraient dues se trouver à l'endroit prévu par la loi et qui ne s'y trouvaient apparemment pas. Par exemple, Le Verrier a cherché à situer Neptune (en 1846) en utilisant la loi de Bode.
Et entre Mars et Jupiter, on ne voyait rien, alors on a cherché, et en 1801, c'est l'Italien Giuseppe Piazzi qui découvre le premier astéroïde : Cérès, sorte de mini-planète (diamètre 1000 km) située à 2.8 UA du soleil, là où devait se trouver la planète mystérieuse ! On connaît aujourd'hui de nombreux astéroïdes qui sont tous situés dans ce qu'on appelle la ceinture d'astéroïdes et qui représentent un ensemble de débris qui n'ont pas pu se rassembler pour former une planète (qui aurait fait 1000 à 2000 km de diamètre environ, plus petite que la lune), à cause de l'influence gravitationnelle de Jupiter. Les 4 plus gros sont Ceres (1000 km), Pallas (600 km), Vesta (500 km) et Hygiea.(450 km). Tous les autres astéroïdes connus ont moins de 40. km de diamètre. Il faut noter que la notion de diamètre est trompeuse car ces objets ne sont pas tous assez massifs pour que l'attraction gravitationnelle, leur force de leur pesanteur, les rendent ronds. Beaucoup de ces astéroïdes sont comme des "grandes montagnes" dérivant dans l'espace.
On connaît 6000 astéroïdes et plusieurs centaines sont découverts chaque année, mais il est quasiment certain que l'on connaît déjà tous les plus gros.
C'est la plus grosse planète du système solaire. Située à 5 UA du soleil, elle marque la limite de la zone des planètes dites géantes, avec Saturne, Uranus et Neptune. Ces planètes sont situées dans une zone plus froide du système solaire, et lors de leur formation, elles ont accumulé essentiellement de l'Hélium et de l'Hydrogène (d'où leur autre appellation de planètes gazeuses). Elles sont très massives, Jupiter venant largement en tête, et de ce fait maintiennent une pression énorme en leur intérieur. Comme les planètes géantes sont quasiment exclusivement constituées de gaz, elles ne possèdent pas de "surface" à proprement parler. La sphère que l'on observe dans l'objectif d'un télescope est la partie haute de l'atmosphère, et au fur et à mesure que l'on descend à l'intérieur de la planète, la pression augmente pour atteindre des millions de fois la pression atmosphérique. On trouve ainsi en leur centre de l'hydrogène sous forme métallique, surmonté d'un océan d'hydrogène liquide et encore au dessus, de l'hydrogène sous forme de gaz qui constitue l'atmosphère à proprement parler de la planète. Cette atmosphère présente des bandes de couleurs variées qui sont situées à des altitudes différentes dans l'atmosphère de la planète et possèdent des compositions chimiques différentes.
Comme les 3 autres planètes géantes, Jupiter possède de nombreux satellites, dont les 4 principaux, Io, Europe, Ganymède et Callisto ont été découverts par Galilée à l'aide de sa fameuse lunette en 1610, et des anneaux : au moins un, découvert par la sonde Voyager 2 en 1981. De nombreux autres petits satellites ont été découverts lors du passage des sondes Voyager. Je montrerai deux satellites Galiléens, Io, le plus proche, le "satellite de feu", montre des traces de volcanisme très actif, car il est "brassé" par les effets de marée dus à l'attraction gravitationnelle intense de Jupiter à proximité et cela réchauffe son intérieur. Voilà un exemple d'activité tectonique analogue à ce que l'on peut rencontrer sur Terre, sachant que pour ce satellite, cela prend des proportions énormes, On le trouvera très beau ou très laid, selon ses préférences. Ce volcanisme a eu pour effet de faire remonter à la surface le matériau fondu qui était à l'intérieur et de submerger le satellite de soufre fondu, ce qui lui donne sa couleur orangée. Pas de trace de cratères sur Io car le sol est "repeint" très souvent au soufre fondu.
Le satellite suivant, Europe est au contraire un "satellite de glace", il est très brillant, il réfléchit bien la lumière, et on observe à sa surface de nombreuses craquelures qui rappelle des motifs qu'on peut observer sur la banquise terrestre. La encore pas de trace de cratères car en cas d'impact, la chaleur dégagée fait fondre la glace et en regelant, le terrain se retrouve nivelé.
Jupiter est également connu pour sa "grande tache rouge", observée pour la première fois en 1664, qui est probablement une sorte de cyclone, qui perdure dans l'atmosphère depuis plusieurs centaines, voire plusieurs milliers d'années. La taille de ce cyclone est impressionnante puisque la Terre y tiendrait facilement !
Un événement majeur a marqué la vie de Jupiter (et la notre !) au mois de juillet 1994 : la comète de Shoemaker-Levy a percuté la planète. Cet impact a pu être observé en direct par tous les observatoires du monde entier, à l'aide de télescopes au sol, et aussi au télescope spatial. La comète est arrivée sur Jupiter en une vingtaine de morceaux en un peu moins d'une semaine. La collision a dégagé une énergie colossale et l'impact des plus gros fragments a créé dans l'atmosphère de la planète des ondes de choc de la taille de la Terre. Les séquelles de cette collision sont sous surveillance et nous allons peut-être voir apparaître une nouvelle "tache rouge", ou une nouvelle bande dans l'atmosphère de Jupiter.
C'est peut-être la plus belle planète du système solaire. Elle possède un système d'anneaux unique dont toute la complexité est apparue lors du survol de Saturne par Voyager 1 et 2 en 1980 et 1981. ces anneaux sont constitués de cailloux en orbite autour de la planète, dont la taille varie du micron au kilomètre. La présence d'anneaux s'explique encore une fois par l'influence des effets de marée. Si un satellite se trouve en orbite trop proche d'une planète, à l'intérieur d'une limite mise en évidence par le mathématicien Français Édouard Roche en 1850, l'attraction de la planète, qui varie avec la distance, est différente en différents points du satellite et celui-ci se brise. Si la Lune se trouvait à moins de 18000 km de la Terre, elle serait brisée en morceaux de quelques centaines de km. Une fois que le satellite est morcelé, les collisions multiples continuent de l'émietter et on se retrouve très rapidement avec une multitude de petits corps en orbite dans le plan de l'équateur de la planète : un anneau. Les observations de Voyager-1 ont montré que les anneaux de Saturne étaient d'une grande beauté et aussi d'une (très) grande complexité. Les anneaux sont en quelques sorte constitués de "cerceaux" étroits concentriques, certains sont tordus, et l'explication de ces structures est encore mal comprise. Le passage de Voyager-1 à proximité des anneaux a suscité un tel intérêt que Voyager-2 qui devait arriver un an plus tard a été reprogrammé pour donner plus de priorité à l'observation des anneaux. Le même Voyager-2 a traversé le plan des anneaux et pendant les quelques minutes que dura la traversée des anneaux, on enregistra plus de 10000 impacts sur la sonde ! Le système d'orientation de la plate forme des instruments est d'ailleurs tombé en panne à ce moment là, ce qui a empêché d'obtenir les images à haute résolution des satellites de Saturne prévues.
Comme Jupiter, Saturne possède de nombreux satellites, 9 étaient connus depuis la Terre, et 12 autres ont été découverts par les sondes Voyager. Le plus gros Satellite est Titan, et possède une atmosphère contenant de l'azote, comme sur Terre. Titan présente un grand intérêt pour les astronomes car son atmosphère pourrait présenter des caractères similaires avec celle de la Terre aux premiers temps de sa formation. Une mission spatiale est prévue prochainement pour expédier une sonde qui descendra à la surface de ce satellite de Saturne.
C'est la première planète découverte "en dehors" du système solaire des anciens. Les 5 premières planètes du système solaire étaient connues depuis l'antiquité mais Uranus est si éloignée que sa brillance est à la limite de ce que l'oeil nu peut détecter. Elle a été découverte par hasard en 1781 par l'Anglais William Herschell qui était à cette époque astronome amateur et musicien. Il a découvert également plus tard 2 des 5 satellites connus avant le passage des sondes spatiales : Titania et Oberon. Pour la petite histoire, William Herschell devenu célèbre, a mené plus tard une étude de notre galaxie à l'aide des instruments de plus en plus puissants que l'on construisait au 18e siècle. Il y a actuellement un télescope Anglo-Espagnol de 4.20 mètres de diamètre qui porte son nom dans l'archipel des Canaries.
Les plus belles images que l'on possède de cette planète nous ont été fournies lors du passage de la sonde Voyager-2 en janvier 1986. Alors que Voyager-1 avait été programmé pour passer au plus près de Titan en sacrifiant sa trajectoire ultérieure, Voyager-2 a pu survoler Uranus puis Neptune. Le passage auprès d'Uranus n'a pas été de tout repos car, même si on passe sur le fait que l'émetteur de la sonde a une puissance de 22 Watts et qu'on arrive quand même en banlieue de système solaire, à quelques 3 milliards de kilomètres de la Terre, Uranus a la particularité de pointer son axe de rotation vers le soleil, elle "roule sur la tranche" en quelque sorte. De sorte que le vaisseau spatial arrivait sur la planète et son cortège d'anneaux et de satellite un peu comme une balle de fusil dans une cible, et la rencontre a été de très courte durée. Au lieu de passer dans le plan des orbites des anneaux et des satellites et de les regarder tranquillement l'un après l'autre, Il a fallu regarder de tous les cotés à la fois en très peu de temps ! Ceci n'a pas empêché de découvrir une dizaine de nouveaux satellites, tous plus petits que 200 km de diamètre (le plus petit et le plus proche des satellite d'Uranus connu depuis la Terre est Miranda qui fait environ 500 km de diamètre), et tous situés à l'intérieur de l'orbite de Miranda, ce qui permet de comprendre pourquoi on ne les avaient pas détectés jusque là. On a pu également observer avec plus de détails les anneaux d'Uranus qui étaient connus depuis 1977 seulement.
C'est la première planète mathématique ! En effet, elle a d'abord été découverte "sur le papier", par le calcul, lorsqu'on s'est aperçu que l'orbite d' Uranus ne suivait pas exactement la course prévue par la théorie de la gravitation d'Isaac Newton. C'est l'astronome Français Le Verrier qui le premier a proposé que les perturbations de l'orbite d' Uranus, si elle n'était pas dues à des erreurs dans la théorie de Newton, provenaient obligatoirement de l'existence d'une planète supplémentaire, inconnue jusque là et que cette planète devait se trouver à tel endroit dans le ciel et Neptune fut bel et bien découverte à l'observatoire de Berlin en 1846 par Galle. Cette découverte a évidemment frappé les esprits et établi la toute puissance de la mécanique céleste basée sur la théorie de Newton. Elle est également frappante par un autre aspect : comme souvent lorsqu'une idée, une découverte est "dans l'air", le résultat trouvé par Le Verrier avait également été découvert par un Anglais nommé Adams, et ceci trois ans avant (!) mais son patron de recherche de l'époque, un certain Airy (!) avait enfoui le résultat dans un tiroir sans croire qu'un chercheur aussi jeune ait pu faire une telle découverte (aujourd'hui les choses ne se passeraient sûrement pas ainsi...) et la gloire en est revenue à Le Verrier.
Les diapositives de cet exposé sont le résultat de la "redécouverte" de cette planète en 1989, lorsque la sonde Voyager est passée à proximité.
Cette planète apparaît de couleur bleue car son atmosphère contient du méthane (CH4), qui réfléchit plutôt le bleu (courtes longueurs d'ondes). Elle ressemble beaucoup à la planète précédente, Uranus. On y trouve quasi exclusivement de l'Hydrogène et de l'Helium, de l'ammoniaque, du méthane, peut-être sous forme liquide (des océans de méthane !)
De plus près, on voit la grande tache sombre de Neptune (qui rappelle la grande tache rouge de Jupiter), la petite tache sombre et entre les deux, une formation nuageuse surnommée "le scooter" parce qu'elle va vite et qu'elle change de file tout le temps !
On trouve sur Neptune des nuages à haute altitude, l'équivalent des Cirrus sur Terre mais des Cirrus de glace de méthane et pas d'eau, qui se trouvent à 50 ou 70 km au dessus de la couche nuageuse principale de la planète et projettent une ombre sur cette couche..
Comme les 3 autres planètes géantes, Neptune possède des anneaux, constitués de fines particules, de la taille du micron (un millième de millimètre).
C'est une planète double, découverte au 20e siècle et qu'on connaît encore très mal. Le satellite de Pluton s'appelle Charon et a été découvert en 1978. Pluton lui même a été découvert en 1930, un peu par calcul car on cherchait à expliquer des perturbations dans l'orbite d' Uranus que la présence de Neptune n'expliquait pas entièrement, et un peu par chance (sinon par hasard !) car il a fallu inspecter à la loupe des centaines de plaques photographiques pour découvrir cette planète qui brillait plusieurs milliers de fois moins qu' Uranus. L'astronome Percival Lowell (celui des canaux de Mars !) croyait beaucoup à l'existence de Pluton et il l'a cherché activement pendant les dernières années de sa vie. Ce n'est que plusieurs années après sa mort que Pluton a été découvert par Tombaugh. On a appelé la nouvelle planète Pluton car c'est un nom qui provient de la mythologie et les 2 premières lettres (PL) sont là en l'honneur de Percival Lowell.
Les comètes sont les objets les plus froids du système solaire. Ce sont des corps de 1 à 100 km de diamètre composés de glaces et de poussières mélangées, on dit parfois qu'elles sont constituées de "neige sale", comme celle qu'on trouve sur les pistes de ski quand le vent du désert a amené du sable. Malgré leur petitesse et leur poussière, ces comètes sont très intéressantes pour l'astronome car elles sont probablement un échantillon "congelé" de la matière qui existait à l'origine dans le système solaire. Ces objets sont "stockés" aux confins du système solaire, d'une part dans un réservoir relativement sphérique situé franchement à l'extérieur du système solaire (le nuage de Oort), et d'autre part, dans une "ceinture" (dite de Kuiper), un nuage aplati, un anneau, située au delà de Neptune, qui appartient déjà au système solaire. De temps en temps, à cause de perturbations dues aux planètes géantes par exemple, une comète "plonge" vers le soleil et vient nous rendre visite. C'est lors de ces "plongées", qui les amènent souvent très près du soleil (ou très près des planètes, comme la comète Shoemaker-Levy qui a percuté Jupiter en 1994 !...) que nous pouvons les observer car la glace et la poussière qui les composent, chauffés par le soleil, jaillissent de la comète de manière spectaculaire.
D'autres systèmes planétaires ?
Animations : Plongée dans la constellation d'Orion, à 1500 années- lumière, jusqu'à découvrir une nébuleuse qui est peut-être un système planétaire en train de se former.
Le disque circumstellaire de l'étoile Beta Pic. Cette étoile est située à 50 années-lumière de nous. La tache centrale est due à une astuce d'observation qui permet de cacher l'étoile centrale pour éviter d'être aveuglé, et pouvoir détecter la lumière diffusée par la poussière présente dans le disque. Dans ce disque de poussière et de gaz se forment peut-être des planètes.
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