Le mystère des satellites d’Uranus enfin résolu

Vue d'artiste d’Uranus, septième planète du Système solaire. © ZDF/NGC
Uranus a toujours été une énigme dans le tableau de famille du Système solaire avec son axe de rotation et ses satellites inclinés de 98°. Une équipe japonaise vient enfin de trouver l’explication à cette configuration atypique, et ainsi lève également le voile sur l’histoire des satellites de Neptune.

Uranus a toujours intrigué les astronomes. Son axe de rotation est incliné de 98° par rapport à son plan de révolution autour du Soleil. Il est ainsi presque parallèle avec l’écliptique. Plus étonnant encore : ses satellites suivent la même inclinaison. C’est un cas unique dans le Système solaire. Pour toutes les autres planètes, l’axe de rotation tend à être plutôt perpendiculaire au plan de l’orbite. L’énigme de cette configuration atypique vient d’être résolue par l’équipe de Shigeru Ida, professeur à l’Institut de technologie de Tokyo. Ces résultats sont publiés dans la revue scientifique Nature.

Uranus photographiée en infrarouge au Very Large Telescope, en novembre 2002. Sept satellites sont visibles. Titania et Obéron sont les plus brillants (magnitude 14). © ESO

Deux scénarios, mais pas de solution

Shigeru Ida. © Elsi

 L’inclinaison d’Uranus étonne, mais peut avoir été causée par un impact. C’était d’ailleurs souvent l’explication donnée jusqu’ici. Le cas des satellites, lui, est bien plus épineux. « Nous avons franchi un grand pas, pour résoudre l’énigme de leur formation, se réjouit Shigeru Ida. Il existait deux scénarios possibles : soit les satellites sont apparus avec leur planète lors de la formation du Système solaire ; soit ils sont nés d’une collision céleste. »

Premier cas : des satellites créés dans le disque de matière entourant la jeune Uranus en train de se constituer. « Il est très difficile ainsi d’expliquer leur inclinaison, souligne le chercheur japonais. Ils devraient alors tourner dans le plan de l’orbite d’Uranus autour du Soleil, et non dans son plan équatorial. »

Dans la seconde hypothèse, les satellites se seraient formés à partir des débris issus de l’impact. « Ce modèle justifie naturellement l’orbite inclinée des satellites, parce que le basculement de la planète et la création du disque de débris sont le fruit du même impact. Le problème, c’est que les simulations classiques donnent un disque de débris 100 fois plus massif et 10 fois plus petit que le système de satellites d’Uranus », commente Shigeru Ida. Uranus compte 27 lunes en tout, dont seulement cinq dépassent les 200 km de diamètre. Pour comparaison, sa voisine Saturne en possède 82 !

Aucune des deux hypothèses ne décrivait correctement la formation des satellites d’Uranus. Les chercheurs ont donc creusé d’autres pistes. « En 2012, Allessandro Morbidelli, de l’observatoire de Nice, a ainsi imaginé un modèle hybride entre ces deux scénarios, assez complexe, avec de nombreuses étapes », détaille Shigeru Ida. Ce travail reste une explication possible, mais l’équipe japonaise en propose une plus séduisante, car plus simple.

« Nos simulations numériques montrent que le scénario de la collision peut en fait reproduire à merveille le système de satellites d’Uranus, à condition de bien prendre en compte l’évolution du disque de débris né de l’impact », note le chercheur. L’erreur des études antérieures est d’avoir tenté de faire correspondre directement celui-ci avec la configuration actuelle des satellites, sans tenir compte de son évolution après la collision.

« Un impact céleste libère beaucoup d’énergie et la température de condensation de l’eau est basse », souligne Shigeru Ida. Or, dans cette région du Système solaire, les astres sont en très grande majorité constitués de glace. « Selon notre modèle, l’essentiel de la matière éjectée par le choc est sous forme de vapeur, poursuit Shigeru Ida. L’accrétion des satellites ne peut démarrer qu’après la condensation de l’eau en particules solides. Et nous avons découvert que, quand le disque devient assez froid pour cela, il s’est en partie dispersé. Et au final, cette évolution est compatible avec le système de satellites actuel. »

Uranus vue en fausses couleurs par le télescope Hubble en 2003. L’éclat de ses fins anneaux a été renforcé pour les rendre visibles. © Nasa/E. Karkoschka (Univ. Arizona)

« Notre simulation le reproduit très bien et elle est assez robuste, car le résultat varie peu si on change ses paramètres », souligne le chercheur. L’impact serait donc bel et bien la bonne hypothèse. Dans leur modèle, l’équipe japonaise estime qu’Uranus est entrée en collision avec un corps de 1 à 3 fois la masse de la Terre.

Et si Uranus nous aidait à mieux comprendre Neptune ?

L’autre curiosité d’Uranus est sa rotation très rapide. Elle boucle un tour sur elle-même en seulement 17,23 h, alors qu’elle est bien plus grande que la Terre. Certes, Jupiter et Saturne tournent encore plus vite, mais leur rotation s’explique par le fait qu’elles sont essentiellement gazeuses et composées de gaz très légers. « Si on considère un impact oblique par un corps de 1 à 3 masses terrestres, on obtient justement une période de rotation de 10 à 30 h », souligne Shigeru Ida.

Et c’est là que l’étude devient encore plus intéressante. La planète suivante dans le Système solaire, Neptune, a une période de rotation similaire de 16,11 h. Elle ressemble par ailleurs fortement à Uranus et, comme elle, possède peu de satellites : 14 en tout, dont seulement 3 de plus de 200 km. A-t-elle également gagné ses satellites à la suite d’un impact ?

« Son plus gros satellite Triton est un cas particulier. Il tourne en sens rétrograde, ce qui montre qu’il a vraisemblablement été capturé. Mais sinon, notre modèle explique bien la configuration des satellites internes de Neptune — là où l’effet gravitationnel de Triton est négligeable. Cependant, une étude plus détaillée est nécessaire pour le confirmer », prévient Shigeru Ida.

Des travaux très intéressants, donc, d’autant qu’au tout début de l’histoire du Système solaire, les collisions majeures étaient légion. C’est notamment grâce à l’une d’elles que la Lune s’est formée.

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