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Les planètes « tournent-elles toujours rond » ?

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Les planètes « tournent-elles toujours rond » ?

Dans le système solaire, les planètes tournent sur elles-mêmes dans un mouvement de précession similaire à celui d'une toupie. Jusque-là, rien de plus normal, sauf si l'axe et l'orbite se mettent à évoluer à la même vitesse, la planète pouvant alors basculer et subir de fortes variations climatiques. Ce mécanisme a des effets notables sur la plupart des planètes de notre système solaire et doit donc aussi affecter un grand nombre d'exoplanètes comme l'explique Gwenaël Boué, chercheur à l'institut de mécanique céleste et de calcul des éphémérides (IMCCE, Observatoire de Paris/CNRS/UPMC/Université Lille 1/Université Paris-Sud/Bureau des longitudes/IPSA).

 

La plupart des exoplanètes connues et potentiellement habitables sont proches de leur étoile et les fortes marées gravitationnelles ont tendance à freiner leur rotation les obligeant, à l’instar du couple Lune/Terre, à toujours présenter la même face à leur étoile. Cependant, l’atmosphère des planètes, même ténue, peut contrecarrer cet effet et influer sur la durée du jour des exoplanètes qui connaîtront alors une alternance jour/nuit, et avoir une incidence sur le climat.

 

Animation montrant l'évolution de l'axe d'Uranus (flèche bleue) et le pôle de son orbite (flèche orange). Les évolutions sont représentées dans un repère fixe, et on voit que les deux vecteurs tournent à peu près la même vitesse. © Gwenaël Boué

 

Animation montrant l'évolution de l'axe d'Uranus (flèche bleue) et le pôle de son orbite (flèche orange). Évolution dans un repère tournant. On voit que le basculement a lieu lorsque le pôle de l'orbite s'incline beaucoup (forte inclinaison orbitale). © Gwenaël Boué

 

Un ballet cosmique

La rotation des planètes sur elles-mêmes ne suffit pas à déterminer le climat à long terme. Sur Terre, celui-ci est contrôlé par un forçage astronomique. Ce forçage est induit par l'excentricité, l'obliquité et la précession qui évoluent sur de longues échelles de temps (plusieurs milliers d'années pour la Terre). D'où la nécessité d'étudier la dynamique orbitale à long terme des systèmes extrasolaires ainsi que les mouvements de l'axe de rotation.

 

Une planète évoluant seule autour de son étoile n'est affectée par aucune perturbation gravitationnelle pouvant déstabiliser son climat. Cependant, les cas connus sont essentiellement des géantes gazeuses comme Jupiter et très chaudes. A contrario, la majorité des planètes rocheuses sont détectées dans des systèmes multiples compacts où les interactions gravitationnelles sont très fortes.

 

Le « cas » Uranus

Uranus est la seule de nos planètes qui est « couchée » : son équateur est incliné de 97° par rapport au plan de son orbite. Deux scénarios ont été proposés pour expliquer cette originalité. Le premier invoque une collision géante avec une protoplanète de la taille de la Terre à la fin de la formation de la planète. Mais la présence des satellites réguliers (Miranda, Ariel, Umbriel, Titania, Obéron) qui évoluent sur des orbites progrades qui se trouvent pratiquement dans le plan équatorial d'Uranus suggère que ce n'est pas une mais au moins deux collisions successives qui ont incliné Uranus. La deuxième possibilité est que le basculement ait eu lieu progressivement après la formation des satellites via une interaction avec une grosse lune aujourd'hui disparue.

 

Un tel basculement a pu se produire pendant une phase précoce de l’histoire du Système solaire, au moment où les planètes ont migré jusqu’à décrire les orbites que l’on observe aujourd’hui. Le nouveau mécanisme suppose qu’Uranus a possédé un satellite massif dans le passé et que l’orbite d'Uranus a connu une période de forte inclinaison.

 

Évolution de l'axe d'Uranus dans l'une des simulations. © Gwenaël Boué

 

Ce scénario permet d’expliquer non seulement pourquoi Uranus est couchée sur son orbite, mais il résout aussi le problème du satellite manquant évoqué par des théories récentes de formation de satellites. De plus, le même mécanisme sous-jacent (sans le satellite supplémentaire seulement nécessaire dans le cas extrême d'Uranus) permet de comprendre les obliquités actuelles de Jupiter et de Saturne ainsi que les paléoclimats de la Terre et de Mars.

Pour en savoir plus :

Institut de mécanique céleste et de calcul des éphémérides (IMCCE, Observatoire de Paris/CNRS/UPMC/Université Lille 1/Université Paris-Sud/Bureau des longitudes/IPSA)Nouvelle fenêtre

 

À lire : The exoplanet HandbookNouvelle fenêtre de Michael Perryman.

 

À lire, le résumé d'une présentation de Jacques Laskar sur les rotations des planètes du système solaire, « Évolution à long terme de l'axe de rotation des planètes terrestres »Nouvelle fenêtre.

 

À voir : « Cycles de Milankovitch : Précession et obliquité »Nouvelle fenêtre (lien entre la rotation et l'évolution du climat à long terme).

 



21/04/15