LE SYSTÈME SOLAIRE

Le Système solaire est le système planétaire auquel appartient la Terre. Il est composé d’une étoile, le Soleil, et des objets célestes gravitant autour de lui : les huit planètes confirmées et leurs 185 satellites naturels connus (appelés usuellement des « lunes »), les cinq planètes naines et leurs neuf satellites naturels connus et les milliards de petits corps (la grande majorité des astéroïdes et autres planètes mineures, les comètes, les poussières interplanétaires, etc.). Le système solaire fait partie de la galaxie appelée Voie lactée. Il est situé à environ 8 kpc (∼26 100 a.l.) du centre galactique et effectue une révolution en 225 à 250 millions d’années.

De façon schématique, le Système solaire est composé, outre le Soleil lui-même et par ordre de distance croissante à celui-ci, de quatre planètes telluriques internes (Mercure, Vénus, la Terre et Mars), d’une ceinture d’astéroïdes composée de petits corps rocheux, de quatre planètes géantes externes (deux géantes gazeuses que sont Jupiter et Saturne, et deux planètes géantes de glaces que sont Uranus et Neptune) et de la ceinture de Kuiper, composée elle-même d’objets glacés. L’héliopause, limite magnétique du Système solaire, est définie par l’arrêt des vents solaires face au vent galactique. Bien au-delà se trouve le nuage d’Oort, sphère d’objets épars. La limite gravitationnelle du Système solaire se situe bien plus loin encore, jusqu’à 1 ou 2 années-lumière du Soleil.

Toutes les planètes du Système solaire à partir de la Terre possèdent des satellites en orbite, tandis que chacune des quatre planètes externes est en outre entourée d’un système d’anneaux de poussière et d’autres particules. Toutes les planètes, sauf la Terre, ont été nommées d’après des dieux et déesses de la mythologie romaine.

Les cinq planètes naines, portant des noms de divinités diverses, sont Cérès, le premier et plus grand objet découvert dans la ceinture d’astéroïdes (975 km de diamètre équatorial), Pluton, le plus ancien et le plus grand objet connu de la ceinture de Kuiper (2 370 km), Éris, au diamètre très légèrement inférieur (2 326 km), qui se trouve dans le disque des objets épars, enfin Makémaké (environ 1 430 km) et Hauméa (1 960 km), objets de la ceinture de Kuiper. Les quatre planètes naines transneptuniennes, c’est-à-dire orbitant au-delà de Neptune, sont de type « plutoïdes ».

Le Soleil

Le Soleil, au sein de notre galaxie, est une étoile de type naine jaune parmi tant d’autres : la Voie lactée contient entre 200 et 400 milliards d’étoiles, dont 20 à 40 milliards seraient des naines jaunes. Comme toute étoile selon les lois de la physique actuelle, sa masse permet à la densité en son cœur d’être suffisamment élevée pour provoquer des réactions de fusion thermonucléaire en continu. Chaque seconde le cœur du Soleil fusionne 620 millions de tonnes d’hydrogène en 615,7 millions de tonnes d’hélium. Cette masse que le Soleil perd vient simplement du fait qu’un noyau d’hélium produit a une masse inférieure à celle des quatre noyaux d’hydrogène ayant servi à le fabriquer. La puissance rayonnée par le Soleil dans l’espace sous forme d’ondes électromagnétiques, environ 4 × 1026 watts, n’est autre que celle qui correspond à ce différentiel de 4,3 millions de tonnes par seconde.

Le Soleil est une naine jaune modérément grande, mais le nom est trompeur puisque le Soleil est plus large et plus lumineux que la majorité des étoiles de la Voie lactée (la plupart des étoiles de la Voie lactée étant des naines rouges, plus petites). Il se situe vers le milieu de la séquence principale du diagramme de Hertzsprung-Russell ; cependant, les étoiles plus brillantes et plus chaudes que le Soleil sont rares tandis que les étoiles moins lumineuses et plus froides sont courantes.

Le diagramme de Hertzsprung-Russell ; la séquence principale va du bas à droite au haut à gauche.
On pense que la position du Soleil sur la séquence principale indique qu’il est loin d’avoir épuisé ses réserves d’hydrogène pour la fusion nucléaire. À ce jour, les calculs établissent qu’il a dispersé sous forme d’énergie 3 millièmes de sa masse initiale, soit l’équivalent de 3 fois la masse de Jupiter. Il devient progressivement plus brillant : au début de son histoire, sa luminosité était inférieure d’un bon tiers de celle d’aujourd’hui.

Le calcul du rapport entre l’hydrogène et l’hélium à l’intérieur du Soleil suggère qu’il est environ à mi-chemin de son cycle de vie. Dans plus de cinq milliards d’années, il quittera la séquence principale et deviendra plus grand, plus brillant, plus froid et plus rouge : une géante rouge. À ce moment, sa luminosité sera près de 2000 fois celle d’aujourd’hui.

Le Soleil est une étoile de population I ; il est né après une ou plusieurs « générations » d’étoiles. Il contient plus d’éléments plus lourds que l’hydrogène et l’hélium (des « métaux » dans le langage astronomique) que les étoiles de population II. Ces éléments métalliques ont été formés dans l’explosion des noyaux d’étoiles les plus massives, les supernovas. Les étoiles anciennes contiennent peu de métaux tandis que les étoiles ultérieures en contiennent ainsi plus. On pense que cette haute métallicité a été indispensable au développement du système planétaire, car les planètes se forment par accrétion de « métaux ».

Mercure

Mercure est la planète la plus proche du Soleil (0,4 UA), ainsi que la plus petite (4 878 km de diamètre) et la moins massive, plus du vingtième de la masse terrestre (0,055 masse terrestre). Elle est connue depuis l’Antiquité et doit son nom au dieu Mercure, qui était chez les Romains le messager des dieux, et dieu du commerce et du voyage ; cela est dû au fait qu’elle se déplace très vite. Mercure ne possède aucun satellite naturel et ses seules caractéristiques géologiques connues, en dehors des cratères d’impact, sont des dorsa, probablement produites par contraction thermique lors de la solidification interne, plus tôt dans son histoire. L’atmosphère de Mercure, quasiment inexistante, est formée d’atomes arrachés à sa surface par le vent solaire ou momentanément capturés à ce vent. L’origine de son grand noyau de fer liquide et de son fin manteau n’a toujours pas été expliquée de manière adéquate. Parmi les scénarios hypothétiques, il est possible que ses couches externes aient été balayées par un impact géant ou qu’elle ait été stoppée dans son accrétion par l’énergie solaire.
Sa période de révolution est d’environ 88 jours et sa période de rotation est de 58 jours. La presque-absence d’atmosphère significative et la proximité du Soleil amène les températures de surface à varier de 427 °C (700 K) lorsque le Soleil est au zénith et à −173 °C la nuit, et il fait même -210°C aux fond des cratères mercuriens tellement il y fait noir. Mercure tourne sur elle-même en environ 2 mois terrestres et fait le tour du Soleil en 88 jours terrestres, sur une orbite elliptique.

Vénus

Vénus (0,7 UA) est proche de la Terre en taille et en masse (0,815 masse terrestre) et, comme elle, possède un épais manteau de silicate entourant un noyau métallique, une atmosphère significative et une activité géologique interne. Cependant, elle est beaucoup plus sèche et la pression de son atmosphère (au sol) est 90 fois celle de la nôtre. Vénus ne possède aucun satellite. Il s’agit de la planète la plus chaude, avec une température de surface supérieure à 462°C, maintenue essentiellement par l’effet de serre causé par son atmosphère très riche en gaz carbonique. Aucune activité géologique récente n’a été détectée sur Vénus ; son absence de champ magnétique ne permettant pas d’empêcher l’appauvrissement de son atmosphère, cela suggère cependant qu’elle est réalimentée régulièrement par des éruptions volcaniques. Sa période de révolution est d’environ 225 jours. Sa période de rotation est de 243 jours. Son diamètre est de 12 104 kilomètres et se situe à environ 108 millions de kilomètres du Soleil.

La Terre

La Terre (1 UA) est la plus grande, la plus massive et la plus dense des planètes internes, la seule dont on connaisse une activité géologique récente, et qui abrite la vie. Son hydrosphère liquide est unique parmi les planètes telluriques, et elle est la seule planète où une activité tectonique a été observée. L’atmosphère terrestre est radicalement différente de celle des autres planètes, ayant été altérée par la présence de formes de vie, pour contenir 21 % d’oxygène. La Terre possède un satellite, la Lune, le seul satellite significativement grand des planètes telluriques du Système solaire. L’explication la plus généralement admise pour expliquer l’origine de ce singulier satellite serait la collision latérale de la jeune Terre avec un impacteur géant, de la taille de la planète Mars, ce qui explique aussi que la période de rotation soit si courte (~23 h 56 min 4,1 s). La période de révolution de la Terre, c’est-à-dire la durée de l’année, est d’environ 365,25 jours. Son diamètre est de 12 756 kilomètres et se situe à environ 150 millions de kilomètres du Soleil (1 UA).

Mars

Mars (1,5 UA) est deux fois plus petite que la Terre et Vénus, et a seulement le dixième de la masse terrestre (0,107 masse terrestre). Sa période de révolution autour du Soleil est de 687 jours terrestres, et sa journée dure 24 heures et 39 minutes. Elle possède une atmosphère ténue, principalement composé de dioxyde de carbone, et une surface désertique, avec un climat qui peut être qualifié d’hyper-continental : en été, la température dépasse rarement les 20-25°C à l’équateur et peut chuter jusqu’à −120 °C voir plus pendant l’hiver aux pôles. Le terrain martien, parfois très accidenté, est constellé de vastes volcans, comme Olympus Mons (le plus massif du Système solaire), de vallées, de rifts comme Valles Marineris.

Ces structures géologiques montrent des signes d’une activité géologique, voire hydraulique, qui a peut-être persisté jusqu’à récemment. Mars possède deux petits satellites naturels (Déimos et Phobos), probablement des astéroïdes capturés, à cause des effets de marée, l’orbite de Phobos diminue et devrait s’écraser sur la planète rouge dans environ 50 millions d’années, tandis que Deimos s’éloigne progressivement.

Ceinture d'astéroïdes - Les astéroïdes troyens.

Les astéroïdes sont principalement de petits corps du Système solaire composés de roches et de minéraux métalliques non volatils. La ceinture d’astéroïdes occupe une orbite située entre Mars et Jupiter, à une distance comprise entre 2,3 et 3,3 UA du Soleil. On pense qu’il s’agit de restes du Système solaire en formation qui n’ont pas pu s’accréter en un corps plus gros à cause des interférences gravitationnelles de Jupiter.

Les astéroïdes varient en taille, depuis plusieurs centaines de kilomètres à des poussières microscopiques. Tous les astéroïdes, sauf le plus grand, Cérès, sont considérés comme des petits corps, bien que certains tels Vesta ou Hygie pourraient être reclassés comme planètes naines s’il est démontré qu’ils ont atteint un équilibre hydrostatique.

La ceinture d’astéroïdes contient des dizaines de milliers, éventuellement des millions, d’objets de plus d’un kilomètre de diamètre. Malgré ceci, la masse totale de la ceinture ne dépasse probablement pas un millième de celle de la Terre. La ceinture est très peu densément peuplée ; les sondes spatiales l’ont traversée régulièrement sans incident. Les astéroïdes d’un diamètre compris entre 10 et 10-4 m sont appelés météoroïdes.

Cérès

Cérès, situé à 2,77 ua du Soleil, est le plus grand corps de la ceinture d’astéroïdes et sa seule planète naine. D’un diamètre de 952 km, suffisant pour que sa propre gravité lui donne une forme sphérique, Cérès fut considéré comme une planète quand il fut découvert au XIXe siècle, puis recatégorisé comme astéroïde dans les années 1850 lorsque des observations révélèrent leur abondance.

Il est également classifié comme planète naine depuis 2006 (tout en gardant son statut d’astéroïde défini de façon totalement indépendante).

Groupe d’astéroïdes

Les astéroïdes de la ceinture principale sont divisés en plusieurs groupes et familles suivant leurs caractéristiques orbitales. Certains astéroïdes comportent des lunes, parfois aussi larges qu’eux-mêmes. La ceinture contient également des comètes d’où pourrait provenir l’eau terrestre.
Le Système solaire interne est également constellé d’astéroïdes situés en dehors de la ceinture et dont l’orbite croise éventuellement celle des planètes telluriques.

Système solaire externe

Au-delà de la ceinture d’astéroïdes s’étend une région dominée par les géantes gazeuses. De nombreuses comètes à courte période, y compris les centaures, y résident également.

La zone ne possède pas de nom traditionnel correctement défini. Il est fait souvent mention du Système solaire externe, par opposition au Système solaire interne, mais le terme a récemment commencé à être utilisé exclusivement pour la zone située après l’orbite de Neptune.

Les objets solides de cette région sont composés d’une plus grande proportion de « glaces » (eau, ammoniac, méthane) que leurs correspondants du Système solaire interne.

Planètes externes – Planète géante gazeuse.

Les quatre planètes externes sont des géantes gazeuses et regroupent à elles quatre 99 % de la masse qui orbite autour du Soleil. L’atmosphère de Jupiter et Saturne est principalement constituée d’hydrogène et d’hélium ; celle d’Uranus et de Neptune contient un plus grand pourcentage de glaces. Il a été suggéré qu’elles appartiennent à une catégorie distincte, les « géantes glacées ». Les quatre géantes gazeuses possèdent des systèmes d’anneaux, mais seuls ceux de Saturne peuvent être facilement observés depuis la Terre. En outre, le nombre de leurs satellites naturels est élevé voire très élevé (On en a détecté plus de soixante autour de Jupiter et de Saturne).

Jupiter

Jupiter (5,2 UA), avec 318 masses terrestres, est aussi massive que 2,5 fois toutes les autres planètes, son diamètre avoisine les 143 000 kilomètres. Elle est composée essentiellement d’hydrogène et d’hélium, d’un peu d’ammoniac et de vapeur d’eau.

Sa forte chaleur interne crée un certain nombre de caractéristiques semi-permanentes dans son atmosphère, comme des bandes de nuages ou la Grande tache rouge. Jupiter possède 67 satellites connus (on en a découvert 12 de plus récemment, ce qui en fait 79 satellites) ; les quatre plus gros, (appelés aussi satellites galiléens car découverts par l’astronome italien Galilée au XVIIe siècle), Ganymède, Callisto, Io et Europe, présentent des similarités avec les planètes telluriques, comme le volcanisme. Ganymède, le plus gros satellite du Système solaire, est plus grand que Mercure.

Sa période de révolution est d’environ 12 ans et sa période de rotation est de 9 h 55 min 27,3 s, elle se situe à 778 millions de kilomètres du Soleil.

Saturne

Saturne (9,5 UA), connue pour son système d’anneaux, possède des caractéristiques similaires à Jupiter, comme sa composition atmosphérique. Elle est moins massive (95 masses terrestres) et possède 62 satellites ; deux d’entre eux, Titan et Encelade, présentent des signes d’activité géologique, essentiellement du cryovolcanisme. Titan est plus grand que Mercure, il est le seul satellite du Système solaire à avoir une atmosphère substantielle.

Sa période de révolution est d’environ 29 ans et sa période de rotation est de 10 h 47 min 6 s. C’est également la 2ème planète la plus grosse du Système Solaire après Jupiter avec un diamètre équatorial de 120 536 kilomètres.

Uranus

Uranus (19,6 UA), avec 14 masses terrestres, est la moins massive des géantes gazeuses. De façon unique parmi les planètes du Système solaire, elle orbite le Soleil sur son côté, l’axe de sa rotation étant incliné d’environ 98° par rapport à son orbite.

Son noyau est nettement plus froid que celui des autres géantes gazeuses et rayonne très peu de chaleur dans l’espace. Uranus possède 27 satellites connus, les plus grands étant Titania, Obéron, Umbriel, Ariel et Miranda.

Son diamètre est de 51 118 kilomètres, elle se situe à environ 2 milliards 870 millions de kilomètres du Soleil et sa période de révolution est d’environ 84 ans. Il y règne une température d’environ -220°C.

Neptune

Neptune (30 UA), bien que plus petite qu’Uranus, est légèrement plus massive (17 masses terrestres) et par conséquent plus dense. Elle rayonne plus de chaleur interne, mais pas autant que Jupiter ou Saturne. Neptune possède 14 satellites connus. Le plus grand, Triton, est géologiquement actif et présente des geysers d’azote liquide. Triton est le seul grand satellite placé sur une orbite rétrograde.

Neptune a un diamètre équatorial de 49 528 kilomètres, elle situe à environ 4 milliards 500 millions de kilomètres du Soleil et sa période de révolution est d’environ 165 ans. La température y est d’environ -220°C.

Pluton

Pluton, officiellement désignée par (134340) Pluton (désignation internationale : (134340) Pluto), est une planète naine, la plus volumineuse connue dans le Système solaire (2 372 km de diamètre, contre 2 326 km pour Éris), et la deuxième en termes de masse (après Éris). Pluton est ainsi le neuvième plus gros objet connu orbitant autour du Soleil (exception faite des lunes des géantes gazeuses) et le dixième par la masse. Premier objet transneptunien identifié, Pluton orbite autour du Soleil à une distance variant entre 30 et 49 unités astronomiques et appartient à la ceinture de Kuiper, ceinture dont il est (tant par la taille que par la masse) le plus grand membre connu.

Après sa découverte par l’astronome américain Clyde Tombaugh en 1930, Pluton était considérée comme la neuvième planète du Système solaire. À la fin du XXe siècle et au début du XXIe siècle, de plus en plus d’objets similaires furent découverts dans le Système solaire externe, en particulier Éris, alors estimé légèrement plus grand et plus massif que Pluton. Cette évolution amena l’Union astronomique internationale (UAI) à redéfinir la notion de planète, Cérès, Pluton et Éris étant depuis le 24 août 2006 classées comme des planètes naines. L’UAI a également décidé de faire de Pluton le prototype d’une nouvelle catégorie d’objet transneptunien. À la suite de cette modification de la nomenclature, Pluton a été ajoutée à la liste des objets mineurs du Système solaire et s’est vu attribuer le numéro 134340 dans le catalogue des objets mineurs.

Pluton est principalement composée de roche et de glace de méthane, mais aussi de glace d’eau et d’azote gelé. Son diamètre est d’environ les deux tiers de celui de la Lune.

Pluton est le corps principal du système plutonien. Le couple que forme Pluton avec son grand satellite, Charon (diamètre 1 207 km), est souvent considéré comme un système double, car la différence de masse entre les deux objets est l’une des plus faibles de tous les couples corps primaire/satellite du système solaire (rapport 8 pour 1) et le barycentre de leurs orbites ne se situe pas à l’intérieur d’un des deux corps (il est légèrement à l’extérieur de Pluton).

Ceinture de Kuiper

La ceinture de Kuiper, la principale structure de la région, est un grand anneau de débris similaire à la ceinture d’astéroïdes, mais composée principalement de glace. La première partie de la ceinture s’étend entre 30 et 50 UA du Soleil et s’arrête à la « falaise de Kuiper », la seconde partie va au-delà (100 UA voire plus). On pense que la région est la source des comètes de courte période.

Elle est principalement composée de petits corps, mais plusieurs des plus gros objets, comme Quaoar, Varuna, ou Orcus, pourraient être reclassifiés comme planètes naines. On estime à 100 000 le nombre d’objets de la ceinture de Kuiper d’un diamètre supérieur à 50 km, mais sa masse totale est estimée à un dixième, voire un centième de celle de la Terre. Plusieurs objets de la ceinture possèdent des satellites multiples et la plupart sont situés sur des orbites qui les emmènent en dehors du plan de l’écliptique.

La ceinture de Kuiper peut être grossièrement divisée entre les objets « classiques » et ceux en résonance avec Neptune. Comme les plutinos, qui parcourent deux orbites quand Neptune en parcourt trois, mais il existe d’autres rapports.

La ceinture en résonance débute à l’intérieur même de l’orbite de Neptune. La ceinture classique des objets n’ayant aucune résonance avec Neptune s’étend entre 39,4 et 47,7 UA. Les membres de cette ceinture classique sont appelés cubewanos, d’après le premier objet de ce genre à avoir été découvert, (15760) 1992 QB1.

Régions lointaines - Héliopause, héliosphère, héliogaine

L’hélosphère est divisée en deux régions distinctes. Le vent solaire voyage à sa vitesse maximale jusqu’à environ 95 UA, trois fois la distance moyenne entre Pluton et le Soleil. Ensuite, le vent solaire entre en collision avec les vents opposés en provenance du milieu interstellaire. Il ralentit, se condense et subit des turbulences, formant une grande structure ovale appelée l’héliogaine qui ressemble et se comporte de façon assez similaire à la queue d’une comète, s’étendant encore sur 40 UA dans un sens et sur plusieurs fois cette distance dans la direction opposée. La limite externe de l’héliosphère, l’héliopause, est le point où le vent solaire s’éteint et où débute l’espace interstellaire.

La forme de l’héliopause est affectée par les interactions avec le milieu interstellaire, ainsi que par les champs magnétiques solaires dominant au sud (l’hémisphère nord s’étend 9 UA plus loin que l’hémisphère sud). Au-delà de l’héliopause, à environ 230 UA du Soleil, s’étend une onde de choc, une zone de plasma laissée par le Soleil au cours de son trajet à travers la Voie lactée.
Aucune sonde spatiale n’a dépassé l’héliopause et les conditions dans l’espace interstellaire ne sont pas connues. On sait assez peu à quel point l’héliosphère protège le Système solaire des rayons cosmiques. Une mission spécifique a été suggérée.

Nuage de Hills et nuage d'Oort

Le nuage de Hills est une zone hypothétique, intermédiaire de la ceinture de Kuiper et du nuage d’Oort.

Le nuage d’Oort est une zone hypothétique regroupant jusqu’à un trillion d’objets glacés et dont on pense qu’il est la source des comètes à longue période. Il entourerait le Système solaire vers 50 000 UA, peut-être même jusqu’à 154 000 UA. On pense qu’il serait composé de comètes qui ont été éjectées du Système solaire interne après des interactions avec les géantes gazeuses. Les objets du nuage d’Oort se déplacent très lentement et peuvent être affectés par des événements peu fréquents comme des collisions, les effets gravitationnels d’une étoile proche ou une marée galactique.

Sedna et le nuage de Hills

Sedna est un grand objet rougeâtre ressemblant à Pluton dont l’orbite très excentrique l’amène à 76 UA du Soleil au périhélie et à 928 UA à l’aphélie et qui prend 12 050 ans à être parcourue. Michael Brown, qui découvrit l’objet en 2003, a déclaré qu’il ne peut pas s’agir d’un objet épars car son périhélie est trop lointain pour avoir été affecté par Neptune. Il considère, avec d’autres astronomes, qu’il s’agit du premier membre connu d’une population nouvelle, qui pourrait inclure l’objet (148209) 2000 CR105, qui possède un périhélie de 45 UA, un aphélie de 415 UA et une période orbitale de 3 420 ans. Brown nomme cette population le « nuage d’Oort interne » car il se serait formé selon un procédé similaire, mais à une moins grande distance du Soleil. Sedna est très probablement une planète naine, même si sa forme n’est pas connue avec certitude.

Les limites ... L'espace insterstellaire

La limite entre le Système solaire et l’espace interstellaire n’est pas précisément définie. On pense que le vent solaire laisse la place au milieu interstellaire à quatre fois la distance entre Neptune et le Soleil.

Cependant, la sphère de Hill du Soleil, c’est-à-dire sa zone d’influence gravitationnelle, s’étendrait plus de 1 000 fois plus loin, jusqu’à plus de 2 années-lumière (la moitié de la distance à l’étoile la plus proche) ; des objets ont été détectés jusqu’à 154 202 ua (2,44 a.l.) avec C/1992 J1 (Spacewatch).

Certaines comètes ont une orbite calculée à une distance bien plus grande. C’est le cas de la comète C/2008 C1, qui d’après le site Jet Propulsion Laboratory de la NASA, affichait une distance de 312 174 ua (près de 5 a.l.), ce qui la situerait en-dehors du Système solaire. Cependant, la marge d’erreur des paramètres orbitaux est très importante et sa distance maximale du Soleil est très incertaine.

Malgré des découvertes récentes comme celle de Sedna, la zone située entre la ceinture de Kuiper et le nuage d’Oort est globalement inconnue. Par ailleurs, celle située entre le Soleil et Mercure fait toujours l’objet d’études.

31
Mai
2019