Arrokoth est bien le monde le plus ancien jamais exploré

L’astéroïde Arrokhot, vu par la sonde New Horizons le 1er janvier 2019. © Nasa
Situé au-delà de Pluton, l’astéroïde Arrokoth est le monde le plus lointain connu. Un an après son survol par la sonde New Horizons, une série de publications scientifiques esquisse enfin son portrait détaillé et son histoire, avec à la clé quelques surprises.

En survolant Arrokoth le 1er janvier 2019, la sonde New Horizons a battu de nombreux records, comme celui de l’exploration la plus lointaine. On sait désormais que la surface de cet astéroïde est aussi la plus ancienne jamais explorée. C’était l’intuition des chercheurs au vu des premières images reçues de New Horizons le 2 janvier 2019. C’est maintenant établi avec la publication, le 13 février 2020, de trois articles dans la revue Science, dirigés par trois planétologues de la mission New Horizons : John Spencer (Southwest Research Institute), Will Grundy (observatoire Lowell) et Bill McKinnon (université de Washington à Saint Louis). À eux trois, ils dressent un portrait complet de ce corps de 36 km de long, situé à 6,9 milliards de kilomètres du Soleil et semblable à aucun autre connu.

De gauche à droite, Alan Stern responsable de la mission New Horizons, Hal Weather, Will Grundy, Cathy Olkin et John Spencer

Une surface de 4,5 milliards d’années 

Le plus riche des trois articles est celui de John Spencer. Il répond à l’une des questions les plus difficiles posées par le survol : l’âge d’Arrokoth. Plus les cratères d’impact sont nombreux sur une surface planétaire, plus celle-ci est ancienne. En théorie, il suffit donc de compter… Dans la pratique, c’est plus compliqué, surtout ici. « Arrokoth n’est pas très cratérisé, car les impacts sont rares et lents dans cette région très calme du Système solaire », prévient John Spencer. Autre difficulté : sa surface ne ressemble à aucune autre. De plus, New Horizons l’a vu sous un seul angle d’éclairage, et les dépressions présentes sur les images semblent parfois groupées, alignées. Il est évident que toutes ne sont pas des cratères d’impact. Du coup, depuis le survol, les chercheurs restaient évasifs sur la datation d’Arrokoth.

Jusqu’ici, nous devions nous contenter du pronostic de Sarah Greenstreet, de la Fondation B612. Peu de temps avant le survol, la chercheuse a estimé que la densité de cratères devrait être comparable à celle de Charon, le plus gros satellite de Pluton. Selon elle, « les gros cratères devraient être rares, voire absents ». Sur ce point, elle a vu juste : Arrokoth ne montre qu’un cratère de grande taille sur le plus petit de ses deux lobes. Large de 7 km, il a été surnommé « Maryland », l’État depuis lequel la sonde New Horizons est pilotée.

Par ailleurs, Sarah Greenstreet prévoyait en tout « 25 à 50 cratères de plus de 200 m ». L’ordre de grandeur est bon, mais pas exact. Les images de New Horizons montrent 26 cratères très probables, et potentiellement 16 à la morphologie plus ambiguë. Il y en a certainement autant sur l’autre face d’Arrokoth, inobservée car plongée dans la nuit. Et certains cratères nous ont échappé en raison de l’éclairage du Soleil très frontal lors du survol.

Les point rouge représentent les cratère d'impact certains, les jaunes des impacts probables, les bleu des impacts incertains et en blanc des dépressions ayant une autre origine.

Finalement, « avec une densité de cratères supérieure à celle de Charon, la surface d’Arrokoth est plus vieille que celle de Charon, datée à 4 milliards d’années, tranche John Spencer. C’est donc la surface la plus ancienne jamais observée. » Tout porte même à croire que nous voyons cet astéroïde tel qu’il est depuis le tout début de l’histoire du Système solaire. « Bill McKinon montre que le reste de gaz de la nébuleuse protosolaire a entraîné les deux parties de l’objet à spiraler lentement l’une autour de l’autre. La formation d’Arrokoth remonterait donc à une période où ce gaz était encore présent, c’est-à-dire dans les tout premiers millions d’années du Système solaire », détaille John Spencer — soit un âge de l’ordre de 4,5 milliards d’années.  

Une évolution très lente

Pourtant, comme souvent, le diable se cache dans les détails : certaines zones ont moins d’impacts que d’autres. Ces surfaces semblent donc plus jeunes. « On sait très peu de choses sur les mécanismes à l’origine de cette diversité de terrain. Ce que l’on voit est sans doute lié à la fin du processus d’accrétion, mais il n’y a vraiment rien de certain », concède John Spencer. Arrokoth va donc garder une part de ses mystères.

Ce que les chercheurs savent en revanche, c’est que la surface de l’objet a légèrement évolué depuis sa formation, comme le détaille Will Grundy. « La couleur rouge d’Arrokoth est interprétée comme un mélange de méthanol, de tholins et de carbone », précise-t-il. Les tholins sont de grosses molécules d’hydrocarbure assemblées sur de longues périodes de temps sous l’effet du « space waethering », c’est-à-dire l’altération par les particules de haute énergie issues de l’espace. Ces particules cassent des molécules simples (comme l’eau ou le méthane) et leur permettent de se recombiner entre elles pour créer des chaînes moléculaires beaucoup plus longues.

Le méthanol, quant à lui, se serait formé à partir de molécules de monoxyde de carbone (CO) et d’eau en seulement quelques millions d’années.

Plus étonnant encore, cette étude révèle que la surface pourrait avoir été légèrement érodée depuis sa formation. « Le taux de bombardement de micrométéorites issues du Système solaire et du milieu interstellaire est incertain, mais il peut avoir causé une érosion allant jusqu’à plusieurs mètres en surface sur la durée de l’histoire du Système solaire. » Les chercheurs n’ont cependant pas assez de données pour déterminer l’ampleur de cette érosion, ni comment elle s’articule par rapport au processus de space weathering.

Si cette érosion est rapide, elle peut dévoiler l’intérieur de l’objet. Si elle est lente, elle va plutôt entraîner seulement la perte des matériaux volatils et une accumulation de dépôts. Cette perte de matériaux volatils explique d’ailleurs probablement la formation de certaines dépressions dont la forme diffère de celle des cratères d’impact.

Rebondissement sur la forme d’Arrokoth

Cette érosion n’a pas eu d’incidence sur la forme globale de l’objet. Et, fait nouveau, celle-ci avait été mal estimée. Souvenez-vous, les premières images dévoilaient une forme à deux lobes, qui évoquait un bonhomme de neige. Seulement lorsque New Horizons a regardé Arrokoth à contre-jour en train d’occulter des étoiles, le bonhomme de neige est apparu très aplati. Cette forme a laissé les chercheurs perplexes. « Nous devons revoir les modèles qui décrivent l’accrétion afin d’obtenir un tel résultat », constatait alors Hal Weather, directeur scientifique de New Horizons.

Arrokoth vu sous deux angles différent est plus épais que ce que laissaient penser les premières analyses des données. 

Nouveau rebondissement : « L’aplatissement est bien moins marqué que ce que nous avions cru », annonce aujourd’hui John Spencer. L’erreur porte surtout sur le plus gros des deux lobes d’Arrokoth : son volume est 30% plus important qu’estimé dans un premier temps (mais avec une barre d’erreur importante, 2450 km3 +/-720 km3). Le ratio de volume entre les deux lobes devient désormais de 1,9. Les deux lobes restent néanmoins aplatis, mais cette forme peut s’expliquer par leur mouvement de rotation sur eux-mêmes lors de leur formation.

 

Une collision en douceur

La densité d’Arrokoth n’est pas connue car, en passant à 3500 km, New Horizons était trop loin pour ressentir ses effets gravitationnels. Les chercheurs l’ont donc évaluée indirectement. Pour que les deux lobes soient restés collés l’un à l’autre après leur collision, il faut qu’ils exercent un minimum de gravité. Cette densité doit donc être supérieure à 290 kg/m3.

Elle serait comparable à celles des comètes déjà étudiées, en particulier Chury par la sonde Rosetta, soit 500 kg/m3. En partant de ce postulat, l’équipe de Bill McKinnon a estimé la vitesse de collision entre les deux lobes : au maximum 15 km/h.

Arrokoth raconte nos origines

Cette série d’articles scientifiques confirme aussi le scénario de formation que nous décrivions dans les pages de Ciel et espace il y a un an : Arrokoth est un rescapé de la naissance du Système solaire.

Dans toute la Ceinture de Kuiper, il existe une petite population d’objets situés sur des orbites quasi circulaires. Arrokoth en fait partie. On estime leur nombre à 500 000, chiffre infime par rapport au milliard d’objets situés dans cette zone.

Ces orbites circulaires montrent que cette population n’a jamais été perturbée. Partout ailleurs, les corps célestes ont vu leur orbite changer à cause de la migration des planètes géantes. De surcroît, Arrokoth est suffisamment éloigné du Soleil pour que sa surface glacée soit peu altérée par celui-ci. C’est une différence majeure par rapport aux comètes également issues de cette zone.

Parmi les modèles de formation existants, les données de New Horizons permettent de déterminer le plus juste. Celui de David Nesvorny (Southwest Research Institute) baptisé « Straming instability » a désormais le vent en poupe. Il décrit qu’au tout début du Système solaire, les premières particules solides s’agrègent par force électrostatique. Elles ont une taille typique de l’ordre du centimètre, mais elles ne sont pas encore assez massives pour être réunies entre elles par les forces de gravité.

À ce stade, un autre paramètre important entre en jeu : la différence de vitesse entre les particules solides, en rotation relativement rapide autour du Soleil, et le gaz très froid (donc très lent) dans cette zone. Par friction contre ce gaz, les particules solides perdent de l’énergie et migrent vers l’intérieur du Système solaire. Ce mouvement permet de concentrer des particules par endroits en nombre suffisant pour que les forces de gravité prennent le pas et accentuent encore la concentration de matière jusqu’à former des blocs plus gros.

Selon le modèle de David Nesvorny, ce mécanisme aboutit directement à des objets de grande taille, typiquement de plusieurs dizaines de kilomètres. C’est un processus très rapide qui dure seulement 4 millions d’années à l’intérieur du Système solaire et 10 millions d’années à la distance d’Arrokoth.

Par friction avec le gaz, ces blocs se mettent à tourner les uns autour des autres. Les plus petits sont éjectés et, dans le cas d’Arrokoth, il en reste deux à la fin. En freinant encore contre le gaz, les deux astéroïdes ont fini par se toucher. Cette théorie est étayée par les données de New Horizons. En effet, les deux lobes ont exactement la même couleur, ce qui montre qu’ils se sont formés au même endroit.

Les astronomes pensent que ce mécanisme a été universel dans le Système solaire pour créer les premières briques des planètes, mais Arrokoth est vraiment l’un des derniers témoins restés en l’état depuis le tout début. D’autres corps se sont transformés en comètes et ont été altérés par le Soleil. D’autres encore, plus proches du Soleil, ont subi d’innombrables collisions altérant leur forme et leur surface. Mais pour l’essentiel d’entre eux, ils ont participé à former des planètes, comme la nôtre. New Horizons nous a donc permis de voyager dans le temps aux origines mêmes de notre planète.

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