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Astéroïdes et planètes naines : l'origine de leurs anneaux

Des anneaux autour d’un astéroïde ? Il y a cinq ans, la surprise a été grande lorsque les astronomes ont découvert qu’un petit corps céleste de 250 kilomètres de diamètre, Chariklo, possédait des anneaux. Une incongruité pour la communauté scientifique qui n’en connaissait qu’autour des planètes géantes comme Saturne, Neptune ou Uranus. Mais après une nouvelle découverte d’anneaux, cette fois autour d’une planète naine de la périphérie du système solaire, Hauméa, le doute n’était plus permis : cette configuration était probablement beaucoup plus fréquente que ne le pensaient les astronomes. Or de récents calculs et simulations réalisés par une équipe internationale − parmi laquelle des chercheurs de l’Observatoire de Lille − viennent probablement d’en trouver la raison : elles suggèrent qu’à l’inverse des planètes géantes, la cause pourrait être à chercher dans le relief tourmenté ou dans la forme très allongée de ces petits corps célestes. L’explication permet en effet d’expliquer précisément où ces anneaux se trouvent.

Les résultats, publiés dans Nature Astronomy du 19 novembre 2018, montrent en effet que des  montagnes, comme celles semble-t-il présentes sur Chariklo, jouent un rôle déterminant sur l’évolution de leurs anneaux, analogue à celui des « satellites gardiens » autour des planètes géantes. Jusqu’ici, les astronomes expliquaient en effet la stabilité des anneaux de ces dernières par la présence de ces satellites, dont la gravité se chargeait de ramener à bon port toute particule tentée de prendre la poudre d’escampette. C’est le cas par exemple de l’anneau le plus dense d’Uranus (appelé « epsilon ») escorté par deux petits satellites appelés Cordélia et Ophélie qui le maintiennent en place, ou encore de l’anneau « F » de Saturne, maintenu par les satellites Prométhée et Pandore.

Ici, les simulations montrent en effet ce qui se produit pour un petit corps céleste irrégulier ou très allongé, entouré de particules (glace, roche…). Les astronomes savent depuis longtemps qu'à cause des nombreuses collisions entre les particules, celles-ci finissent par s'étaler pour former un disque, qu'elles soient autour d'un petit corps céleste ou autour d'une planète. L'équipe s'est donc intéressée à ce qui pouvait se passer après.

En fait, le surcroît de gravité dû au relief (par un phénomène appelé résonance gravitationnelle)  « aspire » les particules trop près de l’astéroïde, tandis qu’il repousse le reste vers l’extérieur, où elles se stabilisent pour former un anneau. « Ce phénomène explique pourquoi les anneaux des petits corps célestes se situent proportionnellement plus loin que ceux des planètes géantes. » précise Stéfan Renner, co-auteur de l’article et enseignant-chercheur à l’Université de Lille. Une migration des particules similaire, mais plus forte et plus rapide, a lieu lorsque le corps a une forme allongée comme celle de Hauméa, qui rappelle celle d’un cigare.

Ces résultats pourraient même expliquer la formation des satellites autour de petits corps célestes. Car les particules repoussées au loin peuvent finir par franchir une limite importante, appelée limite de Roche (du nom d’un astronome français du XIXe.) Trop près de la planète, avait-il montré, les forces de marée dues à la gravitation disloquent tout satellite : il n’y subsiste que des anneaux. Trop loin, en revanche, au-delà de la limite de Roche, les particules des anneaux se « collent » les unes aux autres pour créer peu à peu des satellites. C’est sans doute ce qui se passe pour certains petits corps célestes, à cause du phénomène mis en évidence par l’équipe.

À cause de sa morphologie irrégulière, le petit corps céleste « aspire » les particules les plus centrales, et repousse les autres qui forment alors un anneau (évolution au cours du temps − images des simulations réalisées par l'équipe).

Ce travail de recherche a fait l’objet d’un article intitulé « Ring dynamics around non-axisymmetric bodies with applications to Chariklo and Haumea ». Les résultats ont été obtenus en partie grâce au financement par le Conseil européen de la recherche du projet “Lucky Star”, dirigé par Bruno Sicardy (ERC Advanced Grant) et à la collaboration de quatre chercheurs français : B. Sicardy (Sorbonne Université, chercheur à l’Observatoire de Paris – PSL), S. Renner (Université de Lille, chercheur à l’institut de mécanique céleste et de calcul des éphémérides (IMCCE) de l’Observatoire de Paris - PSL), F. Roques (astronome de l’Observatoire de Paris – PSL), J. Desmars (post-doc Lucky Star, Observatoire de Paris – PSL), ainsi que trois chercheurs étrangers : R. Leiva (Southwest Research Institute, Boulder, CO, USA), M. El Moutamid (Cornell University, Ithaca, NY, USA) et P. Santos-Sanz (Instituto de Astrofísica de Andalucía, Granada, Spain).