Historique de Marseille
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le 17/08/17
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L’actualité du LAM | Le cours à l’Observatoire Historique de Marseille |
| Mis à jour le 17/08/17 |
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| Les comètes | |||||||
Les comètes sont des phénomènes inquiétants pour l’humanité, par leur aspect inhabituel, et par leur arrivée inopinée. Elles troublent la belle ordonnance des astres. De ce fait, elles ont toujours été assimilées à de mauvais présages, et il est bien évident que lorsqu’on a cette idée en tête, on trouve toujours une catastrophe à leur associer… Elles ont donc suscité l’angoisse, de manière irraisonnée d’abord, puis d’une façon plus réfléchie même au début du XXe siècle, où l’on a cru qu’elles risquaient d’empoisonner la Terre ! On trouve de nombreuses représentations des comètes, associées à l’idée d’une dague, d’une épée faite pour tuer. Ambroise Paré en a fait une description terrible ! On les a volontiers associées à la mort d’un souverain. Il faut dire aussi qu’on voyait autrefois plus de comètes que maintenant, non pas qu’il y en avait plus, mais simplement parce que le ciel n’avait pas encore été souillé par des lumières, des poussières, fumées et autres déchets produits par notre brillante civilisation… Sans compter le projet très sérieux (qui en est resté là, pour le moment) de placer en orbite autour de la Terre des millions de petites aiguilles d’aluminium, destinées à renvoyer la lumière solaire vers la Terre, pour assurer l’éclairage nocturne ! Qu’on réalise un tel projet, et on ne verra même plus la Lune…
Lorsqu’on les découvre, les comètes présentent l’aspect d’une faible nébulosité qui se déplace de jour en jour dans le ciel. A mesure que le temps passe, elle devient plus brillante, s’allonge, et développe un jet qu’on nomme queue. L’observation attentive de cette queue montre de fines stries, qui lui donnent un aspect de chevelure. C’est l’origine du nom des comètes, qui provient du latin coma = chevelure. Certaines comètes ont développé des queues immenses, qui traversaient tout le ciel.
La partie la plus brillante de la comète s’appelle la tête, ou coma. Elle a l’aspect d’une boule cotoneuse. C’est une sphère de gaz, vapeur d’eau, poussières, qui se sont détachées de la comète par sublimation. Elle cache le noyau, qui est la comète véritable.
Dans son déplacement, la comète se rapproche du Soleil, passe derrière ou devant lui, puis s’en éloigne en diminuant d’éclat. Petit à petit, sa queue diminue, jusqu’à ce qu’elle devienne invisible. Assez souvent, une comète ne peut pas être observée d’un même point de la Terre, à la fois avant et après son passage à proximité du Soleil. Aussi, les observateurs ont rarement pris conscience de ce transit. La comète semble donc apparaître, puis disparaître mystérieusement, sans respecter de loi évidente comme les astres qui peuplent le ciel.
Dans ces conditions, les comètes ne semblent pas être des astres, et leur nature a posé un vrai problème. D’autre part, les considérations philosophiques en vogue depuis l’Antiquité interdisaient de croire que les comètes étaient des astres. Pythagore, en 530 avant J.C., supposait la Terre sphérique, entourée de 10 sphères en cristal concentriques, portant les astres. En tournant, ces sphères produisent des notes de musique selon leur taille et leur vitesse ; l’ensemble de ces notes donne un accord parfait. C’est l’origine de la musique des sphères.
Tout ce qui était en-dessous de la Lune était imparfait, changeant, et destructible ; au-dessus de la Lune, était le monde parfait des astres.
Comète Linear, photo J.F. Colliac
Les Chinois avaient déterminé il y a 2.600 ans que la queue des comètes est toujours opposée au Soleil. Ils savaient aussi qu’elles brillent parce qu’elles réfléchissent la lumière du Soleil.
Les premiers hommes qui se soient intéressés aux comètes sur le plan scientifique se sont tout d’abord demandé à quelle distance elles se trouvaient. Incapables qu’ils étaient de la mesurer, toutes les hypothèses étaient envisageables, en particulier celle de phénomène atmosphérique. Il était facile de vérifier que les comètes sont loin de la Terre : si elles étaient proches, dans l’atmosphère, deux observateurs un peu éloignés la verraient dans des régions différentes du ciel. Par exemple, si elles étaient à 50 km d’altitude, deux personnes séparées de 1 km les verraient sous un angle de plus d’un degré (plus de deux fois la pleine lune). C’est Tycho-Brahé qui a eu cette idée, et l’a appliquée à la grande comète de 1577 entre ses observations faites à Uranienborg, et celles d’un des ses amis installé à Prague.
Cette interprétation atmosphérique ayant été rejetée, il restait à préciser l’orbite des comètes.
Tycho-Brahé encore, avec la précision de ses mesures sur la même comète, a remarqué qu’elle circulait sur une orbite qui ne pouvait être un cercle parcouru d’un mouvement uniforme, ce qui égratignait le dogme (c’était avant que Kepler énonce ses lois). Mais de plus, elle parcourait le ciel en traversant les orbites de certaines planètes, qui ne pouvaient donc pas être collées à une sphère de cristal… Et c’en était fini de la musique des sphères, puisqu’il n’y avait plus de sphères ! Les idées étaient donc dans l’air pour la venue de Kepler.
Une fois que les comètes ont été comprises comme objets célestes, que leurs orbites très allongées ont été connues avec une certaine précision, et que Kepler ait publié ses lois, l’interrogation suivante s’est portée sur la forme de l’orbite : ellipse, parabole ou hyperbole ? Ces trois courbes sont des coniques, et sont proches mathématiquement l’une de l’autre, mais leurs propriétés sont cependant très différentes ; l’ellipse est une courbe fermée, ayant le soleil en l’un des foyers, et l’objet qui y circule appartient donc au système solaire de manière durable. Par contre, la parabole et l’hyperbole sont des courbes ouvertes ; elles possèdent deux branches qui vont à l’infini, et donc un objet qui circule sur une telle courbe, après avoir contourné le Soleil à grande vitesse, va s’en éloigner indéfiniment en réduisant peu à peu sa vitesse. Sur une orbite parabolique, la vitesse tend vers 0 à l’infini, alors que sur une hyperbole elle reste non nulle.
Les objets qui circulent sur des orbites paraboliques ou hyperboliques n’appartienent pas au système solaire et n’y sont qu’en visite. L’excentricité d’une ellipse est strictement inférieure à 1, celle d’une parabole égale à 1, celle d’une hyperbole strictement supérieure à 1.
Lorsque Edmund Halley a fait des calculs précis sur une certaine comète, et calculé où elle devait se trouver quelques années avant, il s’est aperçu qu’il s’agissait de la même comète observée 76 ans plus tôt. Il a démontré ainsi que certaines comètes étaient périodiques, et donc appartenaient au système solaire. Leurs orbites sont des ellipses. Pour cette raison, on a donné son nom à cette comète si célèbre.
ellipse e < 1
parabole e = 1
hyperbole e > 1
Remarquez que près du périhélie les trois courbes sont très semblables. Si on ne connait que cette partie de l’orbite, il est difficile de savoir à laquelle on a affaire.
Certaines comètes ont donc des orbites elliptiques, et appartiennent au système solaire. En est-il de même de toutes ?
La réponse n’est pas immédiate. On distingue plusieurs types de comètes, en fonction de leur excentricité.
Les comètes à courte période sont celles dont l’orbite (elliptique) est parcourue en moins de 200 ans. Elles tournent presque toutes dans le sens direct, et leur inclinaison est très faible.
La plus courte période est celle de la comète d’Encke, qui vaut 3,3 ans. Leur périhélie est proche de l’orbite de la Terre, et l’aphélie se situe en général dans la zone de Jupiter. Ceci sera à considérer lorsqu’on cherchera à comprendre la formation et l’origine des comètes.
Les comètes à longue période ont forcément des orbites très allongées, puisqu’on les voit dans le système solaire interne, ce qui signifie que leur périhélie est proche du Soleil. Leur période étant longue, le demi-grand axe de l’orbite est grand, donc l’aphélie est lointain. Il s’ensuit que leur excentricité est proche de 1.
Mais comme nous l’avons dit plus haut, il est très difficile de distinguer entre ellipse, parabole et hyperbole au seul voisinage du périhélie. Aussi, certaines comètes semblent présenter des orbites paraboliques, et même hyperboliques. Mais les excentricités mesurées n’excèdent jamais 1,006 et sont donc dans une zone d’incertitude. Si on pouvait observer ces objets à grande distance du Soleil, on leur trouverait sans doute une orbite elliptique (e < 1). D’ailleurs, si elles venaient vraiment de l’extérieur du système solaire, leurs excentricités seraient quelconques, donc souvent très supérieures à 1, ce qu’on n’observe pas. Ceci montre que les comètes sont des objets du système solaire, même si certaines sont très lointaines.
Toutefois, il est possible que quelques unes soient vraiment sur des orbites hyperboliques, après que l’orbite elliptique normale ait été perturbée par les planètes géantes Jupiter et/ou Saturne. Anciens objets du système solaire, elle le quitteraient alors.
Contrairement aux comètes à courte période, les inclinaisons des comètes à longue période présentent des inclinaisons quelconques par rapport au plan de l’écliptique.
Jan Oort a étudié en 1950 les orbites des comètes connues, et a montré que les comètes à longue période avaient leurs aphélies à des distances de l’ordre de 20.000 à 100.000 UA du Soleil.
Nous allons voir plus loin que les comètes perdent de la matière (qui forme la chevelure et la queue) lorsqu’elles passent près du Soleil. Comme ce sont de petits objets, à chaque passage elles maigrissent. Elles ne peuvent pas exister très longtemps lorsqu’elles s’approchent de notre étoile. En tout cas, les comètes qui venaient près du Soleil peu de temps après sa formation ont été détruites depuis fort longtemps. Il est donc évident que de nouvelles comètes viennent en permanence remplacer les anciennes.
Jan Oort a conclu qu’il existait, entre 20.000 et 100.000 UA du Soleil, un ensemble de comètes qui tournent sur des orbites grossièrement circulaires. Une année-lumière correspond à 60.000 UA à peu près, et les étoiles les plus proches sont à un peu plus de 4 AL, donc à 250.000 UA. Ceci signifie donc que certaines comètes se promènent à une distance du Soleil de l’ordre de la distance entre les étoiles. Aussi sont-elles sensibles aux perturbations gravitationnelles des étoiles proches. Un calcul simple montrerait que la vitesse orbitale, à cette distance, est de quelques mètres par seconde seulement. Par contre, la vitesse des étoiles proches par rapport au Soleil est de l’ordre de 20 km/s. Les perturbations induites par les étoiles proches sur ces comètes sont donc conséquentes.
On peut envisager que l’une de ces étoiles perturbe occasionellement des comètes, les expédiant brutalement soit hors du système solaire, soit vers le Soleil. Mais il semble plus raisonnable de penser que l’ensemble des étoiles proches perturbe en permanence toutes ces comètes, modifiant lentement les orbites. Lorsqu’une comète se trouve un peu ralentie, son périhélie se rapproche du Soleil. Son orbite est alors une ellipse d’excentricité très voisine de 1, avec l’aphélie vers 50.000 UA et le périhélie à quelques UA seulement.
Les inclinaisons de leurs orbites étant quelconques, ce réservoir de comètes doit avoir une symétrie sphérique. On le nomme maintenant nuage de Oort.
Pour simplifier, on dit que les comètes sont des boules de neige sale. Cette image est due à Fred Whipple en 1950 ; elle est assez proche de la réalité, car la glace d’eau est l’un des composants principaux des comètes, et cette glace est salie par des composés très sombres, qui en diminuent considérablement l’albédo. Ces poussières sombres permettent à la comète d’absorber efficacement les rayons du Soleil, aussi leur activité peut commencer alors qu’elles sont encore loin du Soleil, et se poursuivre longtemps après leur passage au périhélie. La comète Hale-Bopp a ainsi commencé son activité bien avant l’orbite de Jupiter, et on a pu la suivre encore à plus d’un milliard de km.
Les comètes passent le plus clair de leur temps très loin du Soleil, dans des régions où le froid spatial les congèle. Puis en s’approchant, elles se réchauffent progressivement. Elles n’ont bien sûr pas d’atmosphère retenue par la gravité, celle-ci est bien trop faible. La sonde Rosetta qui doit se poser sur une comète, est munie de crampons pour éviter d’être éjectée ! La pression à leur surface étant nulle, l’eau ne peut y exister à l’état liquide ; la glace chauffée par le Soleil se sublime, passant directement à l’état de vapeur. Elle libère ainsi les gaz qu’elle contenait, et les poussières qui y étaient piégées. Cette matière éjectée subit alors la pression du vent solaire, qui va la pousser dans une direction opposée au soleil. C’est ainsi que se forment la chevelure et la queue. En fait, il faut parler des queues, car on en distingue de deux sortes : la queue de gaz et la queue de poussières.
La vapeur d’eau et les gaz, légers, subissent de plein fouet le vent solaire, et prennent une direction presque opposée au soleil. Par contre, les poussières plus lourdes seront moins influencées, et garderont une direction plus proche de celle de l’orbite de la comète. Ainsi, les deux queues se distinguent nettement sur les photos. On remarque de plus qu’elles ne sont pas de la même couleur : la queue de gaz est nettement plus bleue, alors que la queue de poussières est blanc-jaunâtre (car elle réfléchit la lumière du Soleil).
Puisque les comètes perdent du gaz et des poussières en s’approchant du Soleil, leur taille diminue au cours du temps. Les comètes périodiques, qui reviennent se chauffer au Soleil de temps en temps, vont maigrir rapidement. Un jour viendra donc où il n’en restera plus… Cette évolution est assez rapide : pour la comète de Halley, qui revient tous les 76 ans à peu près, la durée de vie ne peut excéder quelques millénaires. Puisque les comètes se sont formées en même temps que le reste du système solaire, il y a presque 5 milliards d’années, il y a bien longtemps qu’elles auraient du disparaître. D’où viennent donc celles que nous pouvons contempler de nos jours ?
La sublimation de la glace d’eau se produit, dans le vide, à -73 ℃. Cette température est atteinte dans le système solaire à une distance de 3 UA à peu près. C’est donc à partir de cette distance que la glace d’eau des comètes commence à se sublimer. Par contre, la glace carbonique se sublime à une température beaucoup plus basse, atteinte dès 10 UA du soleil. C’est donc le plus souvent entre Mars et Jupiter qu’une comète commence à manifester son activité.
La comète de Halley a été visitée le 14/3/86 par la sonde européenne Giotto ; une sonde américaine, une sonde japonaise et deux sondes russes ont également abordé la comète, mais en passant nettement plus loin. Giotto a transmis de magnifiques photos du noyau de la comète, qui montrent sa forme irrégulière, son activité du côté chauffé par le Soleil (ce qu’on prévoyait, mais qui n’avait jamais été observé auparavant). On y voit aussi des cratères, comme sur tout autre objet céleste.
Noyau de la comète de Halley, photographié par la sonde européenne Giotto (caméra multicouleurs) Crédits ESA
Sur cette photo, on voit distinctement deux zones d’activité intense.
Considérons la comète de Halley, que la sonde Européenne Giotto a survolée, et qui est donc bien connue. Elle perd à chaque passage près du Soleil, de 1 à 3 mètres d’épaisseur à sa surface. Le diamètre de son noyau est de l’ordre de 10 km. Nous pouvons en déduire la perte relative à chaque passage près du Soleil :
Soit r son diamètre, e l’épaisseur enlevée lors d’un passage, Vr le volume avant érosion, Vr-e le volume après érosion.
Vr = 4π r3 / 3
Vr-e = 4π (r - e)3 / 3 = 4π (r3 - 3 r2 e + 3 r e2 - e 3) / 3
Le terme dans la parenthèse se simplifie en (r3 - 3 r2 e). En effet, e étant petit, e2 et e3 sont négligeables devant r3. D’où :
Vr-e = 4π (r3 - 3 r2 e) / 3 = 4π r3 / 3 - 4π r2 e = Vr - 4π r2 e
Le volume arraché à chaque passage est le volume avant ablation - le volume après ablation :
Ve = Vr - Vr-e = Vr - ( Vr - 4π r2 e) = 4π r2 e
Par rapport au volume total de la comète :
k = Ve / Vr = 4π r2 e / (4π r3 / 3) = 3 e / r
Si e = 1 m, et r = 5.000 m : k = 3 / 5000 = 0,0006
Ve = 0,0006 Vr
La comète perd donc quelques dix-millièmes de son volume (donc de sa masse) à chaque passage près du Soleil.
Elle aura complètement disparu après 10.000 passages. Halley ayant une orbite de 76 ans, ceci se produira dans 10.000 × 76 = 760.000 ans. On retiendra qu’en un temps de l’ordre du million d’années, une comète standard disparaît. Ce temps dépend bien sûr de la masse initiale, qui est parfois nettement plus faible.
Les comètes que nous voyons maintenant sont donc forcément nouvelles, sinon elles auraient déjà disparu.
Les comètes à courte période (moins de 200 ans) et dont l’orbite est voisine du plan de l’écliptique (comme les orbites des planètes), et les comètes à longue période qui présentent une inclinaison quelconque de leur orbite pourraient avoir une origine différente.
En étudiant les orbites d’un grand nombre de comètes, on s’est aperçu que les aphélies des comètes périodiques se trouvaient groupés à une distance du Soleil un peu au-delà de l’orbite de Pluton, et que les orbites étaient toutes dans le plan de l’écliptique (à peu près) et parcourues dans le sens direct.
Par contre, les autres comètes proviennent de régions bien plus lointaines, et leur inclinaison sur l’écliptique est quelconque : certaines tournent dans le sens rétrograde. On a donc compris qu’il y avait deux réservoirs distincts de comètes : la ceinture de Kuiper et le nuage de Oort.
La queue de gaz est composée essentiellement des éléments H, O, C et N (Hydrogène, Oxygène, Carbone et Azote), d’eau H2O, de composés des éléments précédents : acide cyanhydrique, monoxyde de carbone, cyanogène, radical OH… Récemment, on a découvert de très nombreuses autres molécules organiques dans les queues de comètes.
Les radiations solaires opérent un tri parmi les poussières : les plus lourdes restent sur une orbite proche de celle de la comète qui les a émises ; les plus fines sont poussées par les rayons solaires, donc leur trajectoire s’infléchit à l’opposé du Soleil. Si la comète ne se déplaçait pas sur son orbite, la queue serait exactement à l’opposé du Soleil. Mais sa direction résulte de la composition de deux mouvements : le déplacement de la comète sur son orbite, et la poussée des radiations et du vent solaire.
Le vent solaire a été découvert en 1952 par Biermann, en étudiant la structure de la queue de plasma opposée au Soleil.
Halley perd quelques mètres d’épaisseur à chaque passage au périhélie (en moyenne, car il y a des zones très actives, qui perdent beaucoup plus, d’autres ne perdent rien).
La comète C/Howard-Kooman-Michels (1971 S1) photographiée par un coronographe militaire américain en orbite, s’est précipitée dans le Soleil le 30/8/79. C’était sans doute un fragment d’une comète plus grosse qui se serait brisée par les effets de marée près du Soleil. En effet, elle appartenait au groupe de Kreutz qui comprend des comètes à périhélie très proche du Soleil. La comète 3D/Biela a explosé au milieu du XXe siècle. Il n’en est resté qu’un essaim météoritique, donnant lieu chaque année à la pluie d’étoiles filantes nommée Andromédides.
Période due à la traversée du plan de la galaxie de 31,5 MA. Dernière traversée il y a à peu près 3 MA.
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