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Les confins du Système solaire

Pluton, découvert en 1930, fut longtemps la neuvième planète. En 1992, l'identification d'un nouvel objet au-delà de Neptune marque la découverte d’une nouvelle classe d'objets, appelés trans-neptuniens. Beaucoup d'entre eux peuplent la ceinture de Kuiper, située entre 30 et 100 unités astronomiques (u.a., distance Terre-Soleil) environ. En 2003, un nouvel objet, Éris, est découvert, de taille comparable à celle de Pluton... Qui n’est plus qualifiée de planète. Comme le nuage de Oort, identifié en 1950 à plus de 40000 u.a. sur la base de l'étude des orbites cométaires, la ceinture de Kuiper constitue un réservoir de comètes, à une échelle cependant bien moindre.

Qu’est-ce que la ceinture de Kuiper?

On a découvert, ces dernières années, de nombreux objets gravitant au-delà de l'orbite de Jupiter. Ceux-ci se regroupent en différents types.
Les Centaures croisent les orbites des planètes géantes. Ils sont généralement de petite taille (quelques centaines de kilomètres) ; on en connaît aujourd’hui plusieurs centaines. Les Centaures, parfois dotés de queues cométaires à proximité de leur périhélie, apparaissent comme des objets intermédiaires entre astéroïdes et comètes.
Les objets transneptuniens (TNOs pour Trans-Neptunians Objects) se répartissent en différentes classes: les classiques ont des orbites stables, de faible excentricité et non résonantes; les Plutinos sont des objets en résonance 2:3 avec Neptune (c’est le cas de Pluton qui effectue deux révolutions autour du Soleil pendant que Neptune en réalise trois); les objets épars ont des orbites très excentriques (c'est le cas d'Éris dont le diamètre est comparable à celui de Pluton); les objets dispersés ont des orbites très elliptiques allant bien au-delà de Neptune; les objets détachés (tels que Sedna) ont des orbites très elliptiques sans interaction avec Neptune. Les objets détachés peuvent voyager jusqu'à plusieurs milliers d'unités astronomiques (u.a. pour unité astronomique, soit la distance Terre-Soleil), voire même peut-être jusqu'au nuage de Oort. Plus près de nous, les objets classiques et les Plutinos peuplent principalement la ceinture de Kuiper, juste au-delà de l'orbite de Neptune.

Comment étudie-t-on les objets lointains?

Il est impossible d'observer directement les comètes du nuage de Oort : elles sont bien trop éloignées pour être observables au télescope. En revanche, les objets trans-neptuniens peuvent être observés par les télescopes optiques. L'observation d'un champ d'étoiles proche de l'écliptique, répétée au cours du temps, permet de repérer les objets du Système solaire par leur mouvement relatif par rapport aux étoiles, mesuré sur les différents clichés.
Lorsqu'un objet trans-neptunien est identifié, il est possible d'obtenir une mesure de son diamètre par la méthode d'occultation, en observant son passage devant une étoile. Les observations, dont la date est prédite par la connaissance de l'orbite de l'objet, sont réalisées à différentes latitudes, de façon à mesurer le diamètre de l'objet en plusieurs positions. C'est ainsi que des astronomes du Laboratoire d’Études Spatiales et d’Instrumentation en Astrophysique (LESIA) et de l’Institut de Mécanique Céleste et de Calcul des Éphémérides (IMCCE) ont récemment découvert un anneau autour du Centaure Chariklo. Les mesures de spectroscopie visible et proche infrarouge faites par le LESIA permettent de déterminer la nature de la surface et la composition des glaces.
Dans le cas des plus gros objets trans-neptuniens, il est possible de mesurer la température à partir de leur rayonnement infrarouge, et de déterminer simultanément le diamètre et l'albédo (fraction de lumière solaire réfléchie). Ces mesures ont été réalisées, en particulier, avec le satellite Herschel.

Que peut-on apprendre des frontières du système solaire sur son origine et son évolution?

Les objets trans-neptuniens (T.N.O.) représentent probablement les vestiges de la formation planétaire. Très éloignés du Soleil, ils ont subi moins d’évolution que les objets plus internes comme la ceinture d’astéroïdes située vers 3 u.a.
Les TNOs se sont formés dans un disque initialement dense au voisinage des planètes géantes. La « migration » des planètes, c’est-à-dire la variation importante de leur distance au Soleil au cours de leur histoire, a ensuite fortement perturbé la distribution des T.N.O. Les objets formés en deçà de l’orbite de Neptune, bousculés par le déplacement vers l’extérieur d’Uranus et Neptune, ont dû être diffusés dans toutes les directions. Certains se sont retrouvés au-delà de Neptune sur des orbites excentriques et inclinées. D’autres ont été éjectés aux confins du Système solaire, contribuant ainsi à alimenter le nuage de Oort. Les objets formés au-delà de l’orbite de Neptune ont été poussés vers l'extérieur par le déplacement progressif de Neptune, puis « capturés » dans les résonances avec la planète.
Les disques de débris observés autour de certaines étoiles pourraient être l'équivalent de notre ceinture de Kuiper, et constituer les vestiges d'un disque protoplanétaire antérieur dans lequel des exoplanètes pourraient s'être formées. Les disques de débris sont généralement beaucoup plus massifs que la ceinture de Kuiper, ce qui peut s'expliquer par la dispersion de celle-ci suite à la migration des planètes géantes.

A quelle distance faut-il placer les limites du système solaire?

La question est moins simple qu'elle ne paraît... Si l'on définit le Système solaire comme l'ensemble des objets soumis au champ de gravité du Soleil, le Système solaire s'étend jusqu'à la moitié de la distance de l'étoile la plus proche, Proxima du Centaure, c'est-à-dire environ 2 années-lumière (soit environ 126000 u.a.). Selon cette définition, la frontière externe du Système solaire est proche de la frontière extérieure du nuage de Oort.
On peut aussi considérer l'influence émie par le Soleil par le flux de particules ionisées qu'il émet en permanence. Ce flux, appelé vent solaire, est issu de la couronne solaire et son intensité varie en fonction de l'activité magnétique coronale. La pression du vent solaire crée au sein du milieu interplanétaire une bulle appelée héliosphère. Si l'on considère les limites de l'héliosphère, où l'effet du vent solaire est prédominant, alors la frontière externe du système solaire est beaucoup plus proche que selon la définition du champ de gravitation. L'héliopause est la distance à laquelle la pression du vent solaire et celle du vent interstellaire s'équilibrent. L'héliopause est précédée de l'héliogaine, région où les particules du vent solaire sont fortement ralenties. Les sondes Voyager 1 et 2 semblent avoir franchi l'héliogaine dans le courant des années 2000. D'après des mesures de flux de particules cosmiques, Voyager 1 pourrait, en juillet 2012, avoir franchi l'héliopause, à une distance d'environ 120 u.a.