Ceinture de Kuiper - Définition

Structure

Vue d'artiste de la ceinture de Kuiper et du nuage d'Oort.

La ceinture de Kuiper s'étend entre 30 et 55 ua, si l'on inclut ses régions externes. Cependant, la partie principale de la ceinture s'étendrait entre la résonance orbitale 2:3 avec Neptune à 39,5 ua et la résonance 1:2 vers 48 ua. La ceinture de Kuiper est assez épaisse, sa concentration principale s'étendant jusqu'à 10° de chaque côté du plan de l'écliptique et une distribution plus diffuse d'objets jusqu'à plusieurs dizaines de degrés. Elle ressemble par conséquent davantage à un tore qu'à une ceinture. Sa position moyenne est inclinée de 1,86° par rapport à l'écliptique.

La présence de Neptune a eu un effet important sur la ceinture de Kuiper du fait des résonances orbitales. Sur des périodes comparables à l'âge du système solaire, l'influence gravitationnelle de Neptune déstabilise les orbites de tout objet se trouvant dans certaines régions, soit en les envoyant vers le système solaire interne, soit vers le disque épars ou l'espace interstellaire. Cette influence est à l'origine des lacunes prononcées que présente la structure de la ceinture de Kuiper et qui sont analogues aux lacunes de Kirkwood de la ceinture d'astéroïdes. Entre 40 et 42 ua, par exemple, aucun objet ne peut conserver une orbite stable sur des périodes si longues et ceux qu'on y observe actuellement ont migré relativement récemment.

Ceinture classique

Classification des orbites à l'intérieur de la ceinture de Kuiper (schématisation selon les demi-grands axes des objets).

Entre 42 et 48 ua, l'influence gravitationnelle de Neptune est négligeable et les objets peuvent exister sans que leur orbite soit modifiée. Cette région est désignée comme la ceinture de Kuiper classique (en anglais, classical Kuiper belt objects, abrégé en CKBOs) et les deux tiers des objets de la ceinture de Kuiper connus en 2007 en font partie. Le premier KBO observé, 1992 QB₁, est considéré comme le prototype de ce groupe et les CKBOs sont souvent appelés « cubewanos » (d'après la prononciation anglaise de QB1). Parmi les cubewanos, on peut citer la planète naine Makemake (entre 1 300 et 1 900 km de diamètre), Quaoar (1 280 km de diamètre), Ixion ou (47171) 1999 TC₃₆ (qui possède un satellite).

La ceinture de Kuiper classique semble être composée de deux populations distinctes. La première, nommée population « dynamiquement froide », possède, à l'instar des planètes, des orbites presque circulaires avec une excentricité inférieure à 0,1 et une inclinaison inférieure à 10°. La deuxième, « dynamiquement chaude », possède des orbites nettement plus inclinées sur l'écliptique, jusqu'à 30°. Ces deux populations furent nommées ainsi non pas à cause de leur température, mais par analogie avec les particules d'un gaz dont la vitesse relative s'accroît avec la température. Les deux populations ont également des compositions différentes ; la population froide est nettement plus rouge que la chaude, suggérant une origine distincte. La population chaude se serait formée près de Jupiter et aurait été éjectée par les géantes gazeuses. La population froide se serait formée plus ou moins à son emplacement actuel, bien qu'elle ait pu être ensuite rejetée vers l'extérieur par Neptune lors de la migration de cette planète.

Résonances

Distribution des orbites des cubewanos (en bleu), plutinos (en rouge) et objets épars proches (en gris). Le diagramme indique l'inclinaison d'un objet en fonction de son demi-grand axe ; la taille de chaque cercle illustre la taille relative d'un objet par rapport aux autres.

De nombreux objets de la ceinture de Kuiper sont en résonance orbitale avec Neptune ; le rapport de leur période orbitale avec celle de Neptune est une fraction entière. Plus de 200 objets en résonance 2:3 sont connus (c'est-à-dire qu'ils effectuent exactement 2 révolutions autour du Soleil quand Neptune en fait 3), parmi lesquels Pluton et ses lunes. Les membres de cette famille portent le nom de plutinos et ont un demi-grand axe d'environ 39,4 ua. Parmi les membres les plus grands, on trouve Orcus et Ixion qui pourraient être désignées de planète naine lorsque leurs caractéristiques physiques auront été déterminées plus précisément. De nombreux plutinos, y compris Pluton, ont une orbite qui croise celle de Neptune. Ils ne sont cependant pas susceptibles de rentrer en collision avec la planète en raison de la résonance des orbites. Les plutinos possèdent une excentricité élevée, ce qui suggèrent qu'ils n'occupent pas leur orbite initiale mais furent déplacés lors de la migration de Neptune.

La résonance 1:2 (dont les objets parcourent une demi-orbite pour chacune de Neptune) correspond à des demi-grand axes d'environ 47,7 ua et est peu peuplée. Les objets qui la peuplent sont parfois appelés twotinos. D'autres résonances mineures existent à 3:4, 3:5, 4:7 et 2:5. En outre, Neptune possède un certain nombre de troyens qui occupent ses points de Lagrange L₄ et L₅, des régions gravitationnellement stables en avance et en retard sur son orbite. Ces troyens sont parfois décrits comme étant en résonance 1:1 avec Neptune. L'orbite de ces troyens est remarquablement stable et il est improbable qu'ils furent capturés par Neptune. Ils se seraient formés en même temps que la planète.

Il existe relativement peu d'objets ayant un demi-grand axe inférieur à 39 ua, phénomène qui ne peut être expliqué par les résonances actuelles. L'hypothèse couramment acceptée est que la zone fut soumise à des résonances orbitales instables lors de la migration de Neptune et que les objets présents furent déplacés ou éjectés de la ceinture.

La falaise de Kuiper

Histogramme du nombre d'objets de la ceinture de Kuiper connus en fonction de leur demi-grand axe.

La résonance 1:2 semble être une limite à la ceinture de Kuiper, au-delà de laquelle peu d'objets sont connus. On ignore s'il s'agit du bord extérieur de la ceinture classique ou juste du début d'une lacune très large. Des objets ont été découverts à la résonance 2:5, vers 55 ua, très en dehors de la ceinture classique ; cependant, les prédictions concernant l'existence d'un grand nombre d'objets situés entre ces résonances n'ont pas été confirmées par l'observation.

Historiquement, les premiers modèles de la ceinture de Kuiper suggéraient que le nombre de grands objets augmenterait d'un facteur deux au-delà de 50 ua. La chute brutale du nombre d'objets après cette distance, connue sous le nom de « falaise de Kuiper », fut complètement inattendue et reste inexpliquée en 2008. Selon Bernstein, Trilling et al., la diminution rapide du nombre d'objets de rayon supérieur à 100 km au-delà de 50 ua est réelle et ne correspond pas à un biais observationnel. Une explication possible serait que les matériaux seraient trop épars ou en quantité insuffisante pour s'agréger en de grands objets. Il est également possible que de grands objets se soient formés, mais qu'ils aient été déplacés ou détruits pour des raisons inconnues. Selon Alan Stern du Southwest Research Institute, la cause pourrait en être l'interaction gravitationnelle d'un grand objet planétaire inconnu, de la taille de Mars ou de la Terre.

Cette limite ne signifie pas qu'aucun objet n'existe pas plus loin, ni n'exclut l'existence d'une deuxième ceinture de Kuiper plus éloignée. En fait, en 2004, la découverte de Sedna a confirmé l'existence d'objets entre la ceinture de Kuiper et le lointain et hypothétique nuage d'Oort.