Les comètes, de l'Antiquité à Rosetta - UTINAM / OSU THETA Philippe Rousselot Professeur Univ. de Franche-Comté - CNRS
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Les comètes, de l’Antiquité à Rosetta Philippe Rousselot Professeur Univ. de Franche-Comté UTINAM / OSU THETA Copie pdf des diapos : perso.utinam.cnrs.fr/~phil/uo1.php
Plan de l’exposé : 1. Historique : de l’Antiquité à Edmund Halley 2. La dynamique des comètes 3. Rosetta et l'exploration spatiale des comètes 4. Quelques comètes récentes particulières . 5. Petit résumé de nos connaissances scientifiques sur les comètes
1. Historique : de l’Antiquité à Edmund Halley Premiers observateurs connus : les Chinois. 338 apparitions distinctes entre –1400 et +1600 ( ≈ 1 comète brillante / 10 ans).
En occident : Aristote (384-322 av. J.C.). Il explique les comètes comme un phénomène météorologique.
Durant le Moyen-Âge : peu d’évolution (les comètes servent de présages). Tapisserie de Bayeux (1066, comète de Halley) :
Tycho Brahé (1546-1601) : observation d’un supernova (1572) et tentative de mesure de la parallaxe d’une comète (1577). C’est la fin de la vision aristotélicienne des comètes.
Même après la découverte des lois de Kepler (1609-1619) le mouvement des comètes demeurait mystérieux. Trois hypothèses : → mouvement circulaire → mouvement parabolique → mouvement rectiligne « Cometographie » d'Hevelius (1668) →
Edmund Halley (1656-1742) : il a d’abord « découvert » Isaac Newton (1642-1727) et aidé à publier les Principiae Mathematica (1687) qui posent les bases de la mécanique.
En 1758 : Lalande, Clairaut et Mme Lepaute refont tous les calculs de Halley. Lalande et Clairaut annoncent devant l’Académie des sciences en novembre 1758 que la comète repassera le 13 avril 1759 à un mois près. Retrouvée à noël 1758. Passe au périhélie le 13 mars 1759…
Passage de la comète de Halley en 1910 :
2. La dynamique des comètes 3 types d’orbite (coniques) : → Elliptiques (A) (18% avec P200 ans) → Paraboliques (B) (43%) → Hyperboliques (C) (15%)
Découverte du nuage de Oort (1950) :
Distribution de l'inclinaison orbitale des comètes paraboliques ou presque paraboliques : Le pic vers 130-140° est dû aux comètes de la famille de Kreutz (qui passent très près du Soleil)
Distribution de l'inclinaison orbitale des comètes de la famille de Jupiter ou de type Halley :
Classification moderne des comètes : → Comètes presque isotropiques : - Comètes à longue période (P>200 ans) - Comètes de type Halley (20
3. Rosetta et l'exploration spatiale des comètes Une première, la comète de Halley en 1986 : cinq sondes envoyées à sa rencontre ! → Vega 1 et Vega 2 : coopération ex-Union soviétique / France / pays d’Europe de l’Est. Passage près de Halley les 6 et 9 mars 1986 à 8900 et 8030 km du noyau.
→ Giotto (ESA) : passage à 600 km du noyau le 13 mars 1986.
→ Suisei et Sakigake (Japon) : passage les 8 et 11 mars 1986 à 151000 et 7 millions de km du noyau. Suisei :
Projet de mission NASA : ASTRO 1 Mais accident de la navette Challenger en janvier 1986...
La première rencontre spatiale (Etats-Unis)... → ICE (International Cometary Explorer) : rencontre avec la comète Giacobinni-Zinner en septembre 1985. → « Recyclage » d'un satellite, en fait peu adapté à ce type de rencontre.. → Passé à 7800 km, mais sans caméra...
Redécouverte du noyau le 16 octobre 1982 (magnitude 24,2; télescope de 5 m du mont Palomar) Lancement de Giotto (juillet 1985) :
Rencontre avec les sondes Véga 1 et Véga 2 les 6 et mars 1986. Réception des données à Moscou... Et première image du noyau de Halley →
12 mars 1986 : rencontre avec la sonde Giotto (passage à 600 km) : Les plus belles images du noyau de Halley...
Principaux résultats obtenus sur Halley : → Première vue détaillée d’un noyau cométaire (plus accidenté et sombre que prévu) → Grains de poussières : existence d’éléments organiques légers. → Les molécules-mères : détection directe de plusieursmolécules supposées (fragmentation de grains). → Distribution du gaz : existence de sources étendues. → Interaction avec le vent solaire : globalement, confirmation des modèles
Deep Space 1 : → Sonde américaine destinée à tester de nouvelles technologies. → Lancée le 24 octobre 1998. → survol rapproché de la comète Borelly (2200 km) le 22 sept 2001.
Stardust : Mission NASA lancée le 7 février 1999. Elle a survolé la comète Wild 2 le 2 janvier 2004 et a ramené des poussières de cette comète sur Terre le 15 janvier 2006.
La méthode du « coup de poing américain »… Tir en décembre 2004, la cible choisie était la comète Tempel 1, percutée en juillet 2005.
Bouclier en cuivre de 400 kg projeté à 10 km/s le 4 juillet 2005. Observations directes depuis la sonde Deep Impact (dist. min=500 km) et depuis de nombreux observatoires au sol.
Le noyau de Tempel 1 a été réobservé de près en 2011 par la sonde Stardust (rebaptisée New Exploration of Tempel 1, ou NExT), ce qui a permis d'observer le cratère formé par Deep Impact (environ 150 m de diamètre) :
Sonde Deep Impact rebaptisée EPOXI : Rencontre avec la comète 103P/Hartley 2 le 4 novembre 2010
Rosetta Une mission de longue haleine... → Premières discussions ESA / NASA dès 1986. Projet baptisé Rosetta (hommage à la pierre de Rosette et à Champollion) : l'objectif est un retour d'échantillons sur Terre avec la comète 67P/C-G. → Problèmes budgétaires au début des années 1990 : abandon pour l'ESA de la collaboration avec la NASA pour l'orbiteur et redéfinition à la baisse des objectifs. Plus de retour d'échantillons mais deux atterrisseurs : ROLAND (ROsetta LANDer) et Champollion (participation NASA). → Après l'abandon de la NASA pour Champollion un seul atterrisseur, rebaptisé Philae (référence à l'obélisque de Philae), est construit. Objectif : comète 46P/Wirtanen. Projet officiellement approuvé par l'ESA en novembre 1993. Tir prévu en janvier 2003.
→ Echec du tir d'Ariane 5 le 11 décembre 2002 (perte de contrôle lors du tir et destruction en vol). → Report du tir de Rosetta et redéfinition de la cible. → Retour à la cible initiale : comète 67P/Churyumov-Gerasimenko. → Lancement le 2 mars 2004.
Comète 67P/Churyumov-Gerasimenko (parfois orthographiée « Tchourioumov-Guérassimenko » ou « Tchouri ») → Découverte le 11 septembre 1969 par Klim Churyumov (Клим Чурюмов, décédé le 15 octobre 2016) sur des plaques photos prises par Sveltana Gerasimenko à l'observatoire d'Alma Ata (actuel Kazakhstan, astronomes soviétiques à l'époque et maintenant ukrainiens).
→ Eléments orbitaux : Demi-grand axe 3,4630 ua Excentricité 0,6410 Périhélie 1,2432 ua Aphélie 5,6829 ua Période 6,44 années Inclinaison 7,0405° Dernier périhélie : 28 février 2009 Prochain périhélie : 13 août 2015 → Comète très faible et difficile à observer depuis le sol (magnitude de l'ordre, au mieux, de 11) ! Photos prises en 2003 : télescope de 60 cm (observatoire de Crni Vrh, en Slovénie) et Schmidt de 1,20 m (Mont Palomar)
Rosetta → Orbiteur : 2970 kg (dont 1670 de carburant). 2,8x2,1x2 m. 64 m2 de panneaux photovoltaïques (2x15 m de long) car relativement éloigné du Soleil. → 11 expériences scientifiques sur l'orbiteur :
→ Philae : 97,9 kg dont 26,7 kg d'instruments scientifiques. cylindre polygonal (1m de diamètre, 0,80 m de hauteur). → 10 expériences scientifiques dont SD2 (Sample and Distribution Device) : comprend un système de forage jusqu'à 25 cm pour alimenter les instruments PTOLEMY et COSAC (pyrolyse et analyse par spectromètre de masse.
→ 10 ans et demi de voyage :
→ 3 août 2014 : insertion en orbite → Gravité trop faible pour une « vraie » satellisation sans risque : pseudo orbite triangulaire avec des segments de 100 km de long. → 10 septembre : mise en orbite « réelle ». 30 km de rayon. V=0,1 m/s. P=14 j. → 8 octobre : orbite réduite à une ellipse de 20x10 km. → 15 octobre : orbite réduite à 10 km.
Noyau « double » : 2.5 km x 2.5 km x 2.0 km 4.1 km x 3.2 km x 1.3 km P=12,4 h Masse volumique = 0,4 g.cm-3
12 novembre : largage de Philae → Largage « en vol libre » à 9h35 (heure française, durée de transmission des infos à la Terre : 28mn 20s) à 20 km du noyau. → Vitesse / noyau de 1 m/s (3,6 km/h).
→ 16h34mn : arrivée au sol de Philae (poids équivalent à 1g). Arrivée mouvementée qui ne correspond pas à ce qui était prévu !! → Les harpons ne fonctionnent pas → Premier rebond qui dure 2 h (!) et emmène Philae jusqu'à 1 km d'altitude... → Deuxième rebond (qq mn de vol) → Atterrissage final contre une paroi dans une position inclinée (seuls 2 pieds touchent le sol).
Succès médiatique de grande ampleur ! → Retranmission en direct sur le web du centre de contrôle de l'ESA à Darmstadt en présence de hauts responsables politiques allemands. → Evénement spécial à La Villette, en présence de François Hollande. → « Une » du Monde, du journal de France 2, France 3 etc...
Mise en hibernation rapide de Philae → Placé dans l'ombre (environ 1h30 de Soleil / période de 12h) les batteries de Philae n'ont pas pu durer longtemps. → Expériences scientifiques réalisées rapidement. → Mise en hibernation le 15 novembre à 1h36 heure française (environ 57 h de fonctionnement avec les batteries), après émission des données scientifiques. → Réveil possible si assez de lumière sur les panneaux photovoltaïques.
→ Philae a finalement retrouvé sur des images obtenues par Rosetta le 2 septembre 2016 :
30 septembre 2016 : fin de la mission Rosetta → Rosetta a été envoyé au contact de la comète Churyumov- Gerasimenko à faible vitesse(0,9 m/s ou 3,24 km/h). → La sonde a cessé toute émission au moment du contact final et a probablement été partiellement détruite lors de cette rencontre. Sa fin a eu lieu à 11h19 TU → Dernière image transmise, à 20 m du sol (échelle : 96x96 cm) :
4. Quelques comètes récentes particulières Comète Hyakutake Découverte le 30 janvier 1996 elle est passée au plus près de la Terre fin mars 1996. Aspect spectaculaire !
Comète Hale-Bopp Découverte en juillet 1995. Passage au périhélie le 1er avril 1997. Cliché Robert Bettinelli.
Quelques résultats obtenus sur Hale-Bopp : → Diamètre du noyau : entre 40 et 80 km → Rotation du noyau en 11,3 heures → Observations en IR : glaces de H2O, CO et CO2 → Observations de 8 nouvelles espèces moléculaires en radio mm : SO2, SO, HCOOH, HC3N, HNCO, NH2CHP, CH3OCHO et H2CS → Détection de RX, comme sur Hyakutake → Nouveau type de queue : au sodium (observée le 16 avril 1997 aux Canaries) → Dernier passage en –2214 et prochain en 4400… (changement d’orbite)
La grande comète de 2007 : C/2006 P1 McNaught est passée à seulement 0,17 UA du Soleil le 12 janvier 2007. Super brillante (magnitude -6 !) mais très proche du Soleil (et visible surtout dans l'hémisphère Sud)...
Shoemaker-Levy 9 : collision avec Jupiter ! → Comète découverte sur une plaque photo au mont Palomar le 24 mars 1993. → Orbite autour de Jupiter depuis les années 1920. Dernier passage le 8 juillet 1992 (fragmentation). Passage suivant entre le 16 et le 22 juillet 1994 : collision !! → Collision de 20 morceaux de 0,5 à 1 km de diamètre et à 60 km/s…
5. Petit résumé de nos connaissances scientifiques sur les comètes Structure type d'une comète (échelle logarithmique) :
Le noyau : modèle de la « boule de neige sale » (Whipple, 1950) :
Aujourd'hui : modèle du « Rubble pile » (Weissman, 1986) (« pile de débris ») Aggrégat de planétésimaux de glace plus petits assemblés ensemble à faible vitesse de façon aléatoire. Ce modèle prévoit une grande porosité (et donc une faible densité).
Nouveau modèle avec les résultats de Rosetta ?? → voir plus loin
Quelques caractéristiques des noyaux cométaires : → Taille : quelques centaines de mètres à ≈70 km (Hale-Bopp) → Albédo : objets très sombres ! (qv=2 à 6%) → Couleur : plus rouges que le Soleil (mais très variable) → Période de rotation : 5 à 70 heures → Rapport de dimension a/b : 1,5 en moyenne (comètes écliptiques)
Un premier bilan scientifique de Rosetta → Mesure de la masse volumique du noyau de 67P : 530 kg/m3 → Noyau très poreux (estimée entre 57 et 88%) → 2 ellipsoïdes, « corps » 4,1x3,2x1,3 km et « tête » 2,5x2,5x2 km, reliés par un « cou » → « Cou » plus actif → Surface avec molécules organiques complexes riches en carbone et pauvres en azote. (molécules type HAP ?)
→ Structures dans la région Hapi montrant les effets du transport du gaz avec des dunes en forme d’ondes (à gauche) et des « queues de vent » à droite. → Ces dernières structures apparaissent lorsqu’un obstacle se présente à l’écoulement du gaz.
→ Détection de « givre » (glace d'eau) qui apparaît et disparaît dans la journée et de glace de CO2 qui évolue avec la saison.
→ Détection de l'oxygène (O2) : 3,8 % / H2O et rapport O2/H2O constant donc certainement issu du noyau. → Détection de N2 : N2/CO=0,17 à 1,6 %. Azote 25 fois moins abondant que dans le Soleil → T formation < 30 K (?). → Détection de l'argon, du xénon et du krypton. → Rapport D/H (3,3x rapport terrestre).
Molécules identifiées dans les comètes ( % / eau) : eau H2O 100 IR, radio monoxyde de carbone CO 0,2-23 radio, IR, UV dioxyde de carbone CO2 2,5-30 IR Hydrocarbures ( ≈ 2%) : méthane CH4 0,12-1,5 IR acétylène C2H2 0,04-1,5 IR éthane C2H6 0,14-2 IR Molécules CHO ( ≈ 4%) : méthanol CH3OH 0,6-6,2 radio, IR formaldéhyde H2CO 0,13-1,4 radio éthylène glycol HOCH2CH2OH 0,07-0,35 radio acide formique HCOOH 0,028-0,18 radio éthanal CH3CHO 0,047-0,08 radio formiate de méthyle HCOOCH3 0,07-0,08 radio Ethanol C2H5OH 0,12 radio Glycolaldéhyde CH2OHCHO 0,016 radio
Molécules avec de l'azote ( ≈ 1%) : ammoniac NH3 0,3-0,7 radio, IR cyanure d'hydrogène HCN 0,085-0,25 radio, IR isocyanure d'hydrogène HNC 0,002-0,035 radio cyanure de méthyle CH3CN 0,008-0,035 radio cyanoacétylène HC3N 0,002-0,068 radio acide isocyanique HNCO 0,009-0,08 radio formamide NH2CHO 0,008-0,021 radio Molécules avec du soufre ( ≈ 1,5 %) : sulfure d'hydrogène H2S 0,13-1,5 radio monoxyde de soufre SO 0,04-0,3 radio dioxyde de soufre SO2 0,2 radio oxysulfure de carbone OCS 0,03-0,4 radio, IR disulfure de carbone CS2 0,2 UV, radio thioformaldéhyde H2CS 0,009-0,09 radio disoufre S2 0,001-0,25 UV
Molécules détectées par Rosetta (instrument ROSINA) : O2 3,8 N2 C2H5NO2 (glycine) 0-0,25 CH5N (méthylamine) C2H7N (éthylamine) CS2 (disulfure de carbone) 0,003-0,024 S3 S4 CH3SH C2H6S 0,0002 A noter également la détection de l'argon, du xénon et du krypton (et du phosphore (P) peut-être issu de PH3)
Composition des comètes : la vue « classique »... → Glace d'eau ≈ 50% → Silicates ≈ 25% → Matériaux organiques réfractaires ≈ 25% → Petites molécules carbonées : quelques % « Briques » : grains interstellaires qui ont subi des transformations durant la formation des comètes dans le système solaire (par exemple molécules comme CS2 et C2H6 non identifiées dans les nuages moléculaires).
revisitée par Stardust... L'analyse des grains de Wild 2 ramenés par Stardust a révélé : → Une grande hétérogénéité de la composition des grains → De l'olivine, qui ne peut s'être formée qu'à très haute température (1300 K). → Des matériaux organiques très volatils qui ne peuvent subsister qu'au delà de l'orbite de Jupiter → Des similitudes de composition avec les météorites (particules cristallines avec des rapports isotopiques similaires).
Un outil de diagnostic puissant : les rapports isotopiques → Les atomes sont constitués d'un noyau et d'électrons. Noyau : protons (charge +) + neutrons (nombre de protons = nombre d'électrons). → Si le nombre de protons est identique mais que le nombre de neutrons change on parle d'isotopes différents du même atome. → Jusqu'à présent les rapports suivants ont pu être mesurés, au moins dans quelques comètes et pour certaines molécules / radicaux : D/H, 16O/18O, 14N/15N, 12C/13C, 32S/34S → Rapports mesurés avec des observations au sol (domaine radio millimétrique, IR, visible) et par les sondes spatiales par spectrométrie de masse du gaz de la coma.
Cas du rapport D/H → Traceur des conditions de formations et de l'origine de l'eau sur Terre. → Rapport très faible : VSMOW Terre D/H=1,557x10-4, donc difficile à mesurer. → Première mesure : in situ avec H2O dans 1P/Halley (spectro de masse, instruments, instruments IMS et NMS), D/H~3x10-4 (réanalyse à 2,1x10-4). → observations radio mm de HDO au sol dans C/1996 B2 Hyakutake et C/1995 O1 Hale-Bopp : D/H = 2,9x10-4 et 3,3x10-4. → Autres mesures avec des valeurs différentes, allant de la valeur terrestre (103P/hartley 2) à 5,3x10-4 (67P, ROSINA) (mesures au sol – aussi en IR ou proche-UV avec OH - ou spatiales avec Rosetta)
Cas de l'argon → Gaz rare traceur de l'apport possible des comètes à la composition de l'atmosphère terrestre. → 3 isotopes stables : 36Ar, 38Ar, 40Ar → Sur Terre 40Ar dominant (99,6 %) car produit par la désintégration du potassium (40K, demi-vie de 1,248 milliards d'années), mais ce n'est pas le cas ailleurs pour le Soleil : 40Ar~0 et 36Ar/38Ar=5,46. → Détection de 36Ar et 38Ar dans 67P (ROSINA)
→ Ces mesures montrent que les éléments volatils terrestres ne proviendraient pas des comètes, sauf pour l'argon (Marty et al., 2016) :
Cas du xénon → Détection des 7 isotopes stables les plus abondants du xénon par ROSINA dans 67P : 128Xe, 129Xe, 130Xe, 131Xe, 132Xe, 134Xe, 136Xe. → Excès de 129Xe et déficit de 134Xe et 136Xe / vent solaire. → L'atmosphère terrestre actuelle contiendrait 22±5 % de xénon cométaire (en plus du xénon chondritique) (Marty et al., 2017)
L'origine de comètes : → Ejection de grains de silicates dans des étoiles lointaines → Passage à travers des nuages moléculaires et près d’étoiles brillantes : formation d’une couche de matériaux organiques réfractaires → Arrivée dans la nébuleuse protosolaire (manteau de glaces) → Agglomération des grains dans la zone externe (ceinture de Kuiper) → Mélange de matière avec les zones internes du système Solaire (mouvements violents de matière)
Origine actuelle des comètes : - Courte période, famille de Jupiter P
Les leçons de Rosetta pour l'origine du noyau... Beaucoup de noyaux « bilobaux »… Deux possibilités : → « Pile de débris » primordial (donc comètes = matière primitive du système solaire) → « Pile de débris » collisionnelle, semblable à l'astéroïde Itokawa (donc comètes = matière plus jeune, jusqu'à seulement 0,5 million d'années d'âge pour certaines d'entre elles, et matière plus évoluée).
Quelques éléments observationnels : → 67P formée de deux lobes sans doute formés séparéments et qui se seraient ensuite assemblés lentement (semblable à 103P/Hartley et 19P/Borelly). Structures de 2-3 m observées à la surface de 67P (cométésimaux ?) → Pas d'altération aqueuse détectée à la surface de 67P (spectro IR) → Présence de composés supervolatils (CO, O2, N2 et Ar) : pas de chauffage durable au-dessus de 90 K. ⇨ Contrainte forte sur la formation des comètes car chauffage par 26Al au début de l'histoire du système solaire : traces d'altération aqueuse détectées sur les satellites glacés ou OTNs… Donc comètes formées plus tard, après la diminution de 26Al ?
Une proposition de modèle (qui ne fait pas l'unanimité) de formation des comètes : → Formation de « galets » de qq cm au tout début de l'histoire du système solaire → essaims de galets → effondrement gravitationnel qui forme des OTN moyens (qq centaines de km) (qq 100 000 ans après les inclusions alumino-calciques (CAI)) → Fraction de galets en dehors des essaims : processus lent d'accrétion (2-3 millions d'années après les CAI) pour former des comètes de 6 km environ. → Période de qq centaines de millions d'années avant la dispersion des petits corps (migration puis résonance des planètes géantes) : accrétion lente des comètes (structure bilobale) / formation de gros OTN. → Dispersion des comètes dans le nuage d'Oort ou disque dispersé. ⇨ Dans ce scénario les comètes ont une origine différente des OTN.
Critique de ce scénario : la période de collisions aurait due détruire les noyaux cométaires, qui seraient plutôt des réassemblages de particules formées par des collisions destructives (piles de débris collisionnelles). A suivre… Remarque : première image d'un objet transneptunien obtenue le 1er janvier 2019 (2014 MU69, surnommé « Ultima Thulé », photographié par la sonde New Horizon)… →
Des exocomètes ? → Il existe aujourd'hui presque 4000 exoplanètes officiellement répertoriées, ainsi que de nombreux disques protoplanétaires détectés. → Présence très probable de comètes autour d'autres étoiles, car phénomènes de formation de planètes similaires. → Raies du calcium détéctées en 1987 autour de b Pictoris : présence probable de comètes. Deux groupes : comètes jeunes et actives et comètes plus anciennes (analyse des décalages Doppler). → Détection de CO et CO2 dans b Pictoris par ALMA, sans doute issu de comètes. → Observations IR : présence de vapeur d'eau attribuée aux comètes autour de certaines étoiles jeunes.
L'avenir de l'étude des comètes, comme celle des planètes, se situe donc sans doute, en partie, dans l'étude des comètes dans les systèmes planétaires en général… Copie pdf des diapos : perso.utinam.cnrs.fr/~phil/uo1.php
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