Ceinture de Kuiper - Définition

Introduction

L'image représente les objets connus dans la ceinture de Kuiper. Elle est issue de données du Minor Planet Center. Les objets de la ceinture de Kuiper principale sont en vert (formant un cercle de diamètre la moitié de l'image) et les objets épars en orange (la majorité des points dispersés sans label). Les quatre planètes externes sont en bleu (avec intitulé) ; les astéroïdes troyens de Neptune en jaune, ceux de Jupiter en rose. L'échelle est en unités astronomiques.

La ceinture de Kuiper (parfois appelée ceinture d'Edgeworth-Kuiper, ['kœj.pər] en néerlandais), est une zone du système solaire s'étendant au-delà de l'orbite de Neptune, entre 30 et 55 unités astronomiques (ua). Cette zone en forme d'anneau est similaire à la ceinture d'astéroïdes, mais plus étendue, 20 fois plus large et de 20 à 200 fois plus massive. Comme la ceinture d'astéroïdes, elle est principalement composée de petits corps, restes de la formation du système solaire, et d'au moins trois planètes naines, Pluton, Makemake et Haumea. En revanche, tandis que 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.

Depuis la découverte du premier objet en 1992, plus de mille autres objets ont été découverts dans la ceinture de Kuiper et elle 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. Les centaures et les objets épars, tels qu'Éris, en seraient issus. Triton, le plus gros satellite de Neptune pourrait être un objet de la ceinture de Kuiper qui aurait été capturé par la planète. (136199) Éris est le plus grand objet connu de la ceinture de Kuiper.

La ceinture de Kuiper ne doit pas être confondue avec le nuage d'Oort, zone encore théorique et supposée être mille fois plus éloignée. Les objets de la ceinture de Kuiper, ainsi que les objets épars et tout membre potentiel des nuages de Hills et d'Oort, sont collectivement nommés objets transneptuniens.

Historique

L'astronome Gerard Kuiper, en l'honneur de qui fut nommée la ceinture de Kuiper.

Suite à la découverte de Pluton en 1930, de nombreux astronomes émirent l'hypothèse que d'autres corps pourraient être situés dans la même zone du système solaire. Diverses théories ont été émises concernant l'existence de la région appelée aujourd'hui ceinture de Kuiper durant les décennies suivantes. Ce n'est cependant qu'en 1992 que la première observation directe d'un de ses membres a été réalisée. Il est toutefois difficile d'attribuer la paternité de l'invention à un astronome étant donné le nombre et la variété des théories proposées.

Le premier astronome à avoir suggéré l'existence d'une population transneptunienne est Frederick C. Leonard. En 1930, peu après la découverte de Pluton, il émit l'hypothèse que Pluton n'était que le premier d'une série de corps « ultra-neptuniens ».

En 1943, dans le Journal of the British Astronomical Association, Kenneth Edgeworth émit l'hypothèse selon laquelle, dans la région au-delà de Neptune, le matériau de la nébuleuse solaire était trop espacé pour se condenser en planètes, et forma donc plutôt une myriade de petits corps. Il conclut que « la région externe du système solaire, au-delà de l'orbite des planètes, est occupée par un très grand nombre de petits corps de taille comparable » et que, de temps en temps, un des objets « s'écarte de sa propre sphère et apparaît comme un visiteur occasionnel dans le système solaire interne », objet désigné de nos jours sous le nom de comète.

En 1951, dans un article publié dans le journal Astrophysics, Gerard Kuiper émit l'idée d'un disque s'étant formé au début de l'évolution du système solaire et qui n'existerait plus. Les travaux de Kuiper se basaient sur l'hypothèse que Pluton était de la taille de la Terre, hypothèse commune à l'époque ; dans ce cas, Pluton aurait alors éparpillé les petits corps vers le nuage d'Oort ou en dehors du système solaire. Selon la formulation de Kuiper, il n'existerait plus aucune ceinture de Kuiper.

L'hypothèse prit diverses formes au fil des décennies suivantes : en 1962, le physicien Alastair Cameron postula l'existence d'une « énorme masse de petits matériaux aux frontières du système solaire », tandis qu'en 1964, Fred Whipple estima qu'une « ceinture cométaire » pourrait être assez massive pour être à l'origine les anomalies constatées de l'orbite d'Uranus à l'origine de la recherche de la planète X, ou au moins pour modifier l'orbite des comètes connues. Les observations démentirent cette hypothèse.

En 1977, Charles Kowal découvrit Chiron, un planétoïde glacé en orbite entre Saturne et Uranus. En 1992, Pholus fut découvert sur une orbite similaire. Actuellement, une population entière de corps analogues aux comètes, les centaures, est connue dans cette région entre Jupiter et Neptune. Leurs orbites sont instables au-delà de la centaine de millions d'années, une durée de vie brève par rapport à l'âge du système solaire. Les astronomes estiment que cette position devrait être fréquemment alimentée par un réservoir externe.

Les télescopes au sommet de Mauna Kea ont permis de découvrir le premier objet de la ceinture de Kuiper.

L'étude des comètes apporta d'autres preuves de l'existence de la ceinture. Les comètes ont une durée de vie finie, l'approche du Soleil sublimant leur surface et les réduisant petit à petit : leur population doit être réalimentée fréquemment car dans le cas contraire, les comètes auraient disparu du système solaire. Si l'origine des comètes de longue période est le nuage d'Oort, l'existence de comètes à courte période (inférieure à 200 ans) était moins bien expliquée, sauf à penser qu'elles étaient toutes des comètes à longue période déviées par les géantes gazeuses. Dans les années 1970, la vitesse de découverte de telles comètes devint incompatible avec l'hypothèse selon laquelle toutes les comètes étaient issues du nuage d'Oort : un objet du nuage d'Oort doit être capturé par les planètes géantes pour devenir une comète à courte période. En 1980, Julio Fernandez affirma que pour chaque comète déviée dans le système solaire interne depuis le nuage d'Oort, 600 devaient être éjectées dans l'espace interstellaire. Il spécula qu'une ceinture cométaire située entre 35 et 50 ua permettrait de rendre compte du nombre de comètes observées. En 1988, Martin Duncan, Tom Quinn et Scott Tremaine effectuèrent un ensemble de simulations informatiques pour déterminer si toutes les comètes observées pouvaient provenir du nuage d'Oort. Ils conclurent que celui-ci ne pouvait pas être à l'origine des comètes à courte période, notamment parce qu'elles sont situées près du plan de l'écliptique, tandis que les comètes du nuage d'Oort viennent de l'ensemble du ciel. Les simulations correspondaient aux observations lorsqu'une ceinture analogue à celle décrite par Fernandez était incluse dans le modèle. Il semblerait que ce soit parce que les termes « Kuiper » et « ceinture cométaire » apparaissaient dans la première phrase de la publication de Fernandez que Tremaine nomma cette région la « ceinture de Kuiper ».

En 1987, l'astronome David Jewitt, alors au MIT, s'interrogea sur l' « apparente vacuité du système solaire externe ». Il entreprit des travaux avec Jane Luu, une de ses étudiantes, afin de trouver un objet au-delà de l'orbite de Pluton. À l'aide des télescopes de l'observatoire de Kitt Peak en Arizona et du Cerro Tololo Inter-American Observatory au Chili, puis à partir de 1988 du télescope de 2,24 m de Mauna Kea, Jewitt et Luu menèrent leur recherche avec un comparateur à clignotement, comme Clyde Tombaugh et Charles Kowal. Après cinq années de recherche, le 30 août 1992, Jewitt et Luu annoncèrent « la découverte de l'objet candidat à la ceinture de Kuiper » (15760) 1992 QB₁. Six mois plus tard, ils découvrirent un second objet dans la région, 1993 FW.