En 1930, l’astronome Clyde Tombaugh a découvert la légendaire « Ninth Planet » (ou « Planet X ») alors qu’il travaillait à l’observatoire Lowell à Flagstaff, en Arizona. L’existence de ce corps avait été prédite précédemment sur la base des perturbations de l’orbite d’Uranus et de Neptune. Après avoir reçu plus de 1 000 suggestions du monde entier et un débat parmi le personnel de l’Observatoire, ce nouvel objet a été nommé Pluton, proposé par une jeune écolière d’Oxford (Venetia Burney).
Depuis cette époque, Pluton a fait l’objet d’études considérables, d’une controverse de dénomination, et a été visitée pour la première fois le 14 juillet 2015 par la mission New Horizons. Une chose qui est claire depuis le début est la nature de l’orbite de Pluton, qui est très excentrique et inclinée. Selon de nouvelles recherches, l’orbite de Pluton est relativement stable sur des échelles de temps plus longues, mais est sujette à des perturbations chaotiques et à des changements sur des échelles de temps plus courtes.
La recherche a été menée par le Dr Renu Malhotra, professeur de recherche scientifique Louise Foucar Marshall au Lunar and Planetary Laboratory (LPL) de l’Université de l’Arizona ; et Takashi Ito, professeur associé au Centre de recherche sur l’exploration planétaire (PERC) de l’Institut de technologie de Chiba et au Centre d’astrophysique computationnelle de l’Observatoire astronomique national du Japon (NAOJ). L’article qui décrit leurs découvertes est récemment paru dans le Actes de l’Académie nationale des sciences.
Pour le décomposer, l’orbite de Pluton est radicalement différente de celles des planètes, qui suivent des orbites presque circulaires autour du Soleil près de son équateur, projetées vers l’extérieur (c’est-à-dire l’écliptique). En revanche, il faut 248 ans à Pluton pour effectuer une seule orbite autour du Soleil et suit une orbite hautement elliptique inclinée de 17° par rapport au plan de l’écliptique du système solaire. La nature excentrique de son orbite signifie également que Pluton passe 20 ans au cours de chaque période en orbite plus près du Soleil que Neptune.
La nature de l’orbite de Pluton est un mystère persistant et quelque chose dont les astronomes ont pris conscience très peu de temps après sa découverte. Depuis lors, de multiples efforts ont été faits pour simuler le passé et l’avenir de son orbite, ce qui a révélé une propriété surprenante qui protège Pluton d’une collision avec Neptune. Comme le Dr Malhotra l’a dit à Universe Today par e-mail, il s’agit de la condition de résonance orbitale connue sous le nom de « résonance de mouvement moyenne »:
« Cette condition garantit qu’au moment où Pluton est à la même distance héliocentrique que Neptune, sa longitude est à près de 90 degrés de celle de Neptune. Plus tard, une autre propriété particulière de l’orbite de Pluton a été découverte : Pluton arrive au périhélie à un endroit bien au-dessus du plan de l’orbite de Neptune ; il s’agit d’un type différent de résonance orbitale connue sous le nom d’« oscillation vZLK ».
Cette abréviation fait référence à von Zeipel, Lidov et Kozai, qui ont étudié ce phénomène dans le cadre du « problème des trois corps ». Ce problème consiste à prendre les positions et vitesses initiales de trois objets massifs (étendus depuis pour inclure des particules) et à résoudre leur mouvement ultérieur selon les trois lois du mouvement de Newton et sa théorie de la gravitation universelle – pour lesquelles il n’existe pas de solution générale. Comme l’a ajouté le Dr Malhotra :
« À la fin des années 1980, avec la disponibilité d’ordinateurs plus puissants, des simulations numériques ont révélé une troisième propriété particulière, à savoir que l’orbite de Pluton est techniquement chaotique, c’est-à-dire que de petites déviations des conditions initiales conduisent à une divergence exponentielle des solutions orbitales sur des dizaines de millions. Cependant, ce chaos est limité. Il a été constaté dans des simulations numériques que les deux propriétés particulières de l’orbite de Pluton mentionnées ci-dessus persistent sur des échelles de temps giga-années, rendant son orbite remarquablement stable, malgré les indicateurs de chaos.
Pour leur étude, Malhotra et Ito ont effectué des simulations numériques de l’orbite de Pluton jusqu’à cinq milliards d’années dans l’avenir du système solaire.
En particulier, ils espéraient aborder des questions non résolues sur les orbites particulières de Pluton et d’autres objets de la taille de Pluton (aka. Plutinos). Ces questions ont été abordées par des recherches menées au cours des dernières décennies, telles que la « théorie de la migration planétaire », mais jusqu’à un certain point. En particulier, ils espéraient aborder des questions non résolues sur les orbites particulières de Pluton et d’autres objets de la taille de Pluton (aka. Plutinos). Au cours des dernières décennies, les astronomes ont tenté de répondre à ces questions avec de nouvelles théories (telles que la « théorie de la migration planétaire »), mais ont rencontré un succès limité.
Dans cette hypothèse, Pluton a été entraîné dans sa résonance de mouvement moyen actuelle par Neptune, qui a migré au cours des débuts de l’histoire du système solaire. Une prédiction majeure de cette théorie est que d’autres objets trans-neptuniens (TNO) partageraient la même condition de résonance, qui a depuis été vérifiée avec la découverte d’un grand nombre de plutinos. Cette découverte a également conduit à une acceptation plus large de la théorie de la migration planétaire. Mais comme l’a expliqué le Dr Malhotra :
« L’inclinaison orbitale de Pluton est étroitement liée à son oscillation vZLK. Nous avons donc pensé que si nous pouvions mieux comprendre les conditions de l’oscillation vZLK de Pluton, nous pourrions peut-être résoudre le mystère de son inclinaison. Nous avons commencé par étudier le rôle individuel des autres planètes géantes. (Jupiter, Saturne et Uranus) sur l’orbite de Pluton. »
Pour ce faire, le Dr Malhotra et Ito ont effectué des simulations informatiques dans lesquelles ils ont simulé l’évolution orbitale de Pluton pendant jusqu’à 5 milliards d’années, comprenant huit combinaisons différentes de perturbations de planètes géantes. Ces simulations à N corps incluaient des interactions avec :
« Nous n’avons trouvé aucun sous-ensemble des trois planètes géantes intérieures pour récupérer l’oscillation vZLK de Pluton ; les trois – Jupiter, Saturne et Uranus – étaient nécessaires », a déclaré le Dr Malhotra. « Mais qu’y a-t-il à propos de ces planètes qui [are] essentiel à l’oscillation vZLK de Pluton ? », a ajouté le Dr Malhotra. « Il y a 21 paramètres nécessaires pour représenter les forces gravitationnelles de Jupiter, Saturne et Uranus sur Pluton. Il s’agit d’un espace de paramètres prohibitif à explorer. »
Pour simplifier ces calculs, le Dr Malhotra et Ito les ont regroupés en un seul paramètre en introduisant quelques simplifications. Cela comprenait la représentation de chaque planète avec un anneau circulaire de densité uniforme, une masse totale égale à celle de la planète et un rayon d’anneau égal à la distance moyenne de la planète par rapport au Soleil (c’est-à-dire le demi-grand axe). Comme l’a indiqué le Dr Malhotra, cela a donné un seul paramètre représentant l’effet de Jupiter, Saturne et Uranus (J2), qui équivalait à l’effet d’un « Soleil oblat ».
« [W]Nous avons découvert une disposition fortuite des masses et des orbites des planètes géantes qui délimite une plage étroite du paramètre J2 dans laquelle l’oscillation vZLK de Pluton est possible, une sorte de « zone de Boucle d’or », a-t-elle déclaré. « Ce résultat indique que, pendant l’ère de la migration planétaire en [the] Dans l’histoire du système solaire, les conditions des objets trans-neptuniens ont changé de manière à promouvoir nombre d’entre eux – y compris Pluton – dans l’état d’oscillation vZLK. Il est probable que l’inclinaison de Pluton soit née au cours de cette évolution dynamique. »
Ces résultats auront probablement des implications importantes pour les études futures du système solaire externe et de sa dynamique orbitale. Avec une étude plus approfondie, le Dr Malhotra pense que les astronomes en apprendront davantage sur l’histoire de la migration des planètes géantes et sur la façon dont elles se sont finalement installées sur leurs orbites actuelles. Cela pourrait également conduire à la découverte d’un nouveau mécanisme dynamique qui expliquerait les origines de l’orbite de Pluton et d’autres corps à fortes inclinaisons orbitales.
Cela sera particulièrement utile aux astronomes qui se consacrent à l’étude de la dynamique du système solaire. Comme l’a noté le Dr Malhorta, les chercheurs dans ce domaine commençaient à soupçonner que les preuves qui pourraient éclairer l’évolution orbitale de Pluton auraient pu être effacées par les instabilités et la nature chaotique de ces mêmes mécanismes orbitaux. Comme l’a résumé le Dr Malhotra :
« Je pense que notre travail suscite un nouvel espoir d’établir un lien entre la dynamique actuelle du système solaire et la dynamique historique du système solaire. L’origine des inclinaisons orbitales des planètes mineures dans tout le système solaire – y compris les TNO – présente un problème majeur non résolu ; peut-être notre travail suscitera plus d’attention à son égard.
« Un autre point que notre étude souligne est la valeur des approximations simples (r) pour un problème compliqué : c’est-à-dire que la fusion de 21 paramètres en un seul paramètre a ouvert la porte à l’accès aux mécanismes dynamiques essentiels affectant le très intéressant mais difficile à comprendre. dynamique orbitale de Pluton et Plutinos. »
Renu Malhotra et al, Pluton au bord du chaos, Actes de l’Académie nationale des sciences (2022). DOI : 10.1073/pnas.2118692119