La planète naine Pluton et son système de cinq lunes sont à peu près aussi mystérieux que le monde souterrain de l'Antiquité qui a inspiré leurs noms. Pluton est la seule des neuf planètes originales à ne pas avoir été observée à courte distance, à une distance d'environ 3, 7 milliards de kilomètres de la Terre. Cette situation changera toutefois lorsque la sonde New Horizons effectuera un survol à la mi-juillet. Il possède également un nombre non confirmé de lunes, ce qui ajoute aux complications du calcul des trajectoires orbitales.
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«Si vous avez interrogé mon équipe scientifique, je suis persuadé que la majorité serait surprise de ne pas trouver plus de lunes», déclare Alan Stern, enquêteur principal de la mission New Horizons. «La question est: allons-nous en trouver 2, 10 ou 20? Je ne mettrais pas mes paris sur zéro. "
Une nouvelle étude publiée cette semaine dans Nature nous aide à mieux comprendre les orbites des lunes connues de Pluton, qui peuvent à leur tour donner des indices sur la mécanique des exoplanètes qui gravitent autour d'étoiles jumelles. Mais le travail pointe également vers certaines incohérences suggérant que la formation de ces lunes reste une énigme.
Pluton et sa plus grande lune, Charon, sont enfermés dans une danse binaire, gravitant autour d'un centre de masse commun en raison de leur influence gravitationnelle. Les quatre autres satellites connus dans ce système - Styx, Nix, Kerberos et Hydra - gravitent également autour de ce centre commun plutôt que de Pluton lui-même. Cela signifie qu'ils ont d'étranges vacillements sur leurs orbites presque circulaires et qu'ils se comportent différemment des autres lunes du système solaire.
Cette relation orbitale complexe, conjuguée à la difficulté d'observer le système distant, a rendu difficile la compréhension de la formation de Pluton et de sa famille. La théorie principale est que, comme l'impact géant qui a formé la lune de la Terre, Charon est né lorsqu'un grand objet s'est écrasé contre Pluton lors de la formation violente du système solaire, et que les autres petites lunes se sont incrustées dans les débris restants.
Les images de New Horizons prises en avril montrent Pluton et Charon en orbite autour d’un centre de masse commun. (Gif animé par la NASA / Laboratoire de physique appliquée de l'Université Johns Hopkins / Southwest Research Institute) «Nous sommes toujours déconcertés par la structure du système», a déclaré Mark Showalter, co-auteur de l'étude, chercheur principal à l'institut SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence Institute). «Je pense que tout le monde croit qu'à une certaine époque, un objet de grande taille s'est écrasé dans le" proto-Pluton "et que les lunes se sont formées dans le nuage de débris. Cependant, après ce point de l'histoire, les détails deviennent très flous. ”
À présent, l’analyse des données recueillies par le télescope spatial Hubble à la suite des découvertes de Kerberos et de Styx suggère que Styx est bloqué dans une résonance orbitale avec Nix et Hydra, ce qui conforte la théorie de l’impact. La résonance orbitale se produit lorsque plusieurs corps exercent une influence gravitationnelle régulière et périodique les uns sur les autres, de manière à compléter leurs orbites selon un schéma prévisible. L'exemple le plus connu est la résonance de Laplace des trois lunes de Jupiter, Io, Europa et Ganymede, qui ont une résonance orbitale de 1: 2: 4. Cela signifie que Io tourne autour de Jupiter quatre fois pour chacune des rotations de Ganymède, tandis qu'Europa tourne deux fois autour de la même heure.
Les modèles mathématiques de Showalter montrent que les résonances des cinq lunes de Pluton auraient pu être bloquées dans une relation 1: 3: 4: 5: 6 après l'impact de la formation de Charon, très proche du ratio actuel de périodes orbitales pour les lunes de Pluton. Cette théorie explique également la résonance restante du Styx, du Nix et de l’Hydra. Mais il existe un facteur de complication: les autres corps du système Pluto injectent le chaos dans la configuration par ailleurs stable de ces lunes.
Styx, Nix et Hydra semblent la plupart du temps en résonance, mais Nix et Hydra sont périodiquement plongés dans le chaos et il est difficile de cerner la cause. Les orbites chaotiques se produisent lorsque l'axe de rotation d'un objet non sphérique vacille de manière importante, l'empêchant de tomber dans une orbite synchrone. La lune «éponge» de Saturne, Hyperion, tourne par exemple de façon chaotique, et les astronomes pensent que son mouvement vacillant est causé par la résonance orbitale 3: 4 de Hyperion avec la plus grosse lune Titan. Mais la nouvelle photométrie et les modèles dynamiques mis en œuvre par Showalter suggèrent qu’un système binaire comme Pluton et Charon peut également provoquer une rotation chaotique des lunes non sphériques. Même avec les orbites chaotiques de Nix et Hydra, le scénario d’impact semble toujours plausible.
Une image de Hubble en 2012 capture Pluton avec ses cinq lunes connues. (NASA, ESA et M. Showalter (Institut SETI)) Kerberos, cependant, jette une clé majeure dans la théorie de l'impact. D'après les données d'observation de Hubble, Nix et Hydra semblent être des objets brillants, semblables à ceux de Charon. Mais Kerberos semble beaucoup plus sombre. Avec une masse d'environ le tiers de celle de Nix et d'Hydra, Kerberos ne réfléchit que 5% de plus de lumière solaire. Si les plus petites lunes de Pluton étaient formées à partir du matériau rassemblé d'une seule collision majeure, elles auraient alors une relation directe entre la taille et la luminosité. Un système satellitaire hétérogène, tel que semble l'être celui de Pluton, reste une énigme.
«Cette recherche ressemble un peu à l'archéologie», déclare Showalter. "Nous venons de déterrer quelques pièces de poterie ancienne mais nous ne savons pas encore comment elles s'emboîtent."
Le survol du système Pluton par New Horizons le 14 juillet aidera à répondre à de nombreuses questions soulevées dans le document sur la nature . Les instruments de New Horizons seront en mesure de déterminer si Kerberos est vraiment plus sombre que les autres lunes et prendront des mesures précises de la forme de toutes les lunes de Pluton. Le plus passionnant peut-être, le survol révélera s’il existe d’autres anneaux ou lunes influençant la mécanique orbitale complexe du système de Pluton.
«Chaque système planétaire a une histoire de formation à raconter», explique Showalter. «Comprendre leurs histoires nous aide à comprendre d'autres types de disques astrophysiques, notamment les galaxies et les systèmes exoplanétaires. Il existe de nombreuses "planètes circumbinaires" qui gravitent autour de deux étoiles au lieu d'une seule. Pensez Luke Skywalker au coucher du soleil sur Tatooine. Je pense que le système Pluto nous montre de nouveaux détails sur le fonctionnement de ces systèmes dynamiques beaucoup plus grands. ”
