Astronomie

Les comètes diffèrent des astéroïdes principalement par leur composition glacée, une différence qui les fait s’illuminer considérablement à l’approche du Soleil, formant une atmosphère temporaire. Dans certaines cultures anciennes, ces soi-disant “étoiles poilues” étaient considérées comme des présages de désastre. Aujourd’hui, nous ne craignons plus les comètes, mais anticipons avec impatience celles qui s’approchent suffisamment de nous pour faire un bon spectacle du ciel.

Apparition des comètes

Une comète est un morceau relativement petit de matériau glacé (généralement de quelques kilomètres de diamètre) qui développe une atmosphère à l’approche du Soleil. Plus tard, il peut y avoir une queue très faible et nébuleuse, s’étendant à plusieurs millions de kilomètres du corps principal de la comète. Les comètes ont été observées dès les premiers temps: les récits de comètes se trouvent dans les histoires de pratiquement toutes les civilisations anciennes. La comète typique, cependant, n’est pas spectaculaire dans notre ciel, elle a plutôt l’apparence d’une tache de lumière plutôt faible et diffuse un peu plus petite que la Lune et beaucoup moins brillante. (Les comètes semblaient plus spectaculaires pour les gens avant l’invention de l’éclairage artificiel, ce qui compromet notre vision du ciel nocturne.)

Comme la Lune et les planètes, les comètes semblent errer parmi les étoiles, changeant lentement de position dans le ciel de nuit en nuit. Contrairement aux planètes, cependant, la plupart des comètes apparaissent à des moments imprévisibles, ce qui explique peut-être pourquoi elles ont souvent inspiré la peur et la superstition dans les temps précédents. Les comètes restent généralement visibles pendant des périodes allant de quelques semaines à plusieurs mois. Nous en dirons plus sur ce dont ils sont faits et comment ils deviennent visibles après avoir discuté de leurs motions.

Notez que les images fixes de comètes donnent l’impression qu’elles se déplacent rapidement dans le ciel, comme un météore brillant ou une étoile filante. En regardant uniquement de telles images, il est facile de confondre les comètes et les météores. Mais vus dans le ciel réel, ils sont très différents: le météore brûle dans notre atmosphère et disparaît en quelques secondes, alors que la comète peut être visible pendant des semaines dans presque la même partie du ciel.

Orbite de la comète

Figure 1: Comète Halley. Ce composite de trois images (une en rouge, une en vert, une en bleu) montre la comète Halley vue avec un grand télescope au Chili en 1986. Pendant le temps que les trois images ont été prises en séquence, la comète s’est déplacée parmi les étoiles. Le télescope a été déplacé pour maintenir l’image de la comète stable, faisant apparaître les étoiles en trois exemplaires (une fois dans chaque couleur) en arrière-plan. (crédit : modification des travaux par l’ESO)

L’étude des comètes en tant que membres du système solaire date de l’époque d’Isaac Newton, qui a suggéré pour la première fois qu’elles orbitaient autour du Soleil sur des ellipses extrêmement allongées. Le collègue de Newton, Edmund Halley (voir Edmund Halley: Astronomy’s Renaissance Man) a développé ces idées et, en 1705, il a publié des calculs de 24 orbites de comètes. En particulier, il a noté que les orbites des comètes brillantes apparues dans les années 1531, 1607 et 1682 étaient si similaires que les trois pourraient bien être la même comète, revenant au périhélie (approche la plus proche du Soleil) à des intervalles moyens de 76 ans. Si c’est le cas, il a prédit que l’objet devrait ensuite revenir vers 1758. Bien que Halley soit mort au moment où la comète est apparue comme il l’avait prédit, on lui a donné le nom de Comète Halley (qui rime avec “vallée”) en l’honneur de l’astronome qui l’a reconnue pour la première fois comme un membre permanent de notre système solaire, en orbite autour du Soleil. Son aphélie (point le plus éloigné du Soleil) est au-delà de l’orbite de Neptune.

Nous savons maintenant par les archives historiques que la comète Halley a effectivement été observée et enregistrée à chaque passage près du Soleil depuis 239 avant notre ère à des intervalles allant de 74 à 79 ans. La période de son retour varie quelque peu en raison des changements orbitaux produits par l’attraction des planètes géantes. En 1910, la Terre a été balayée par la queue de la comète, ce qui a causé beaucoup d’inquiétudes inutiles au public. La comète Halley est apparue pour la dernière fois dans notre ciel en 1986 (Figure 1), lorsqu’elle a été rencontrée par plusieurs engins spatiaux qui nous ont donné une mine d’informations sur sa composition; elle reviendra en 2061.

Edmund Halley: L’Homme de la Renaissance de l’astronomie

Figure 2 : Edmund Halley (1656-1742). Halley fut un contributeur prolifique aux sciences. Son étude des comètes au tournant du XVIIIe siècle a permis de prédire l’orbite de la comète qui porte maintenant son nom.

Edmund Halley (Figure 2), un astronome brillant qui a apporté des contributions dans de nombreux domaines de la science et de la statistique, était de toute évidence une personne généreuse, chaleureuse et extravertie. En cela, il était tout le contraire de son bon ami Isaac Newton, dont le grand travail, les Principia (voir Orbites et gravité), Halley a encouragé, édité et aidé à payer pour publier. Halley lui-même a publié son premier article scientifique à l’âge de 20 ans, alors qu’il était encore à l’université. En conséquence, il reçoit une commission royale pour se rendre à Sainte-Hélène (une île isolée au large des côtes africaines où Napoléon sera plus tard exilé) pour effectuer le premier relevé télescopique du ciel austral. À son retour, il a reçu l’équivalent d’une maîtrise et a été élu à la prestigieuse Royal Society en Angleterre, le tout à l’âge de 22 ans.

Outre ses travaux sur les comètes, Halley a été le premier astronome à reconnaître que les étoiles dites “fixes” se déplacent les unes par rapport aux autres, en notant que plusieurs étoiles brillantes avaient changé de position depuis la publication par Ptolémée des catalogues grecs anciens. Il a écrit un article sur la possibilité d’un univers infini, a proposé que certaines étoiles puissent être variables et a discuté de la nature et de la taille des nébuleuses (structures en forme de nuage rougeoyantes visibles dans les télescopes). Pendant son séjour à Sainte-Hélène, Halley a observé la planète Mercure qui traversait la face du Soleil et a développé les mathématiques sur la façon dont de tels transits pouvaient être utilisés pour établir la taille du système solaire.

Dans d’autres domaines, Halley a publié le premier tableau de l’espérance de vie humaine (précurseur des statistiques de l’assurance-vie); a écrit des articles sur les moussons, les alizés et les marées (cartographiant les marées dans la Manche pour la première fois); a jeté les bases de l’étude systématique du champ magnétique terrestre; a étudié l’évaporation et la façon dont les eaux intérieures deviennent salées; et même conçu une cloche de plongée sous-marine. Il a servi en tant que diplomate britannique, conseillant l’empereur d’Autriche et faisant visiter l’Angleterre au futur tsar de Russie (discutant avidement, nous dit-on, à la fois de l’importance de la science et de la qualité de l’eau-de-vie locale).

En 1703, Halley devint professeur de géométrie à Oxford, et en 1720, il fut nommé astronome royal d’Angleterre. Il a continué à observer la Terre et le ciel et à publier ses idées pendant encore 20 ans, jusqu’à ce que la mort le réclame à l’âge de 85 ans.

Seules quelques comètes reviennent dans un temps mesurable en termes humains (moins d’un siècle), comme le fait la comète Halley ; on parle de comètes à courte période. De nombreuses comètes à courte période ont vu leurs orbites modifiées en s’approchant trop près de l’une des planètes géantes — le plus souvent Jupiter (et elles sont donc parfois appelées comètes de la famille de Jupiter). La plupart des comètes ont de longues périodes et mettront des milliers d’années à revenir, si elles reviennent du tout. Comme nous le verrons plus loin dans ce chapitre, la plupart des comètes de la famille de Jupiter proviennent d’une source différente de celle des comètes à longue période (celles dont les périodes orbitales dépassent environ un siècle).

Des enregistrements d’observation existent pour des milliers de comètes. Nous avons été visités par deux comètes brillantes au cours des dernières décennies. Tout d’abord, en mars 1996, est apparue la comète Hyakutake, avec une très longue queue. Un an plus tard, la comète Hale-Bopp est apparue ; elle était aussi brillante que les étoiles les plus brillantes et est restée visible pendant plusieurs semaines, même en zone urbaine (voir l’image qui ouvre ce chapitre).

Le tableau 1 répertorie quelques comètes bien connues dont l’histoire ou l’apparence présente un intérêt particulier.

Le noyau de la comète

Lorsque nous regardons une comète active, tout ce que nous voyons normalement est son atmosphère temporaire de gaz et de poussière éclairée par la lumière du soleil. Cette atmosphère s’appelle la tête de la comète ou coma. Comme la gravité de ces petits corps est très faible, l’atmosphère s’échappe rapidement tout le temps; elle doit être reconstituée par de nouveaux matériaux, qui doivent provenir de quelque part. La source est le petit noyau solide à l’intérieur, à quelques kilomètres à peine, généralement caché par la lueur de l’atmosphère beaucoup plus grande qui l’entoure. Le noyau est la vraie comète, le fragment d’ancienne matière glacée responsable de l’atmosphère et de la queue (Figure 3).

Figure 3: Parties d’une comète. Cette illustration schématique montre les principales parties d’une comète. Notez que les différentes structures ne sont pas à l’échelle.

La théorie moderne de la nature physique et chimique des comètes a été proposée pour la première fois par l’astronome de Harvard Fred Whipple en 1950. Avant les travaux de Whipple, de nombreux astronomes pensaient que le noyau d’une comète pourrait être une agrégation lâche de solides, une sorte de “banc de gravier” en orbite, Whipple a proposé à la place que le noyau est un objet solide de quelques kilomètres de diamètre, composé en grande partie de glace d’eau (mais avec d’autres glaces également) mélangé avec des grains de silicate et de la poussière. Cette proposition est devenue connue sous le nom de modèle “boule de neige sale”.

Figure 4: Poussière de comète capturée. Cette particule (vue au microscope) serait un minuscule fragment de poussière cométaire, recueilli dans la haute atmosphère de la Terre. Il mesure environ 10 microns, ou 1/100 de millimètre, de diamètre. (crédit : NASA / JPL)

La vapeur d’eau et d’autres substances volatiles qui s’échappent du noyau lorsqu’il est chauffé peuvent être détectées dans la tête et la queue de la comète, et nous pouvons donc utiliser des spectres pour analyser les atomes et les molécules de la glace du noyau. Cependant, nous sommes un peu moins certains de la composante non glacée. Nous n’avons jamais identifié un fragment de matière solide provenant d’une comète qui ait survécu au passage dans l’atmosphère terrestre. Cependant, les engins spatiaux qui se sont approchés des comètes ont transporté des détecteurs de poussière, et une partie de la poussière de comète a même été renvoyée sur Terre (voir Figure 4). Il semble qu’une grande partie de la “saleté” de la boule de neige sale soit constituée d’hydrocarbures et de silicates foncés et primitifs, un peu comme le matériau supposé présent sur les astéroïdes sombres et primitifs.

Comme les noyaux des comètes sont petits et sombres, ils sont difficiles à étudier depuis la Terre. Les engins spatiaux ont cependant obtenu des mesures directes d’un noyau de comète en 1986, lorsque trois engins spatiaux ont survolé la comète Halley à courte distance (voir Figure 5). Par la suite, d’autres engins spatiaux ont volé près d’autres comètes. En 2005, la sonde spatiale Deep Impact de la NASA a même transporté une sonde pour un impact à grande vitesse avec le noyau de la comète Tempel 1. Mais de loin, l’étude la plus productive d’une comète a été réalisée par la mission Rosetta 2015, dont nous discuterons sous peu.

Figure 5 : Gros plan de la comète Halley. Cette photographie historique du noyau noir de forme irrégulière de la comète Halley a été obtenue par la sonde spatiale Giotto de l’ESA à une distance d’environ 1000 kilomètres. Les zones lumineuses sont des jets de matière s’échappant de la surface. La longueur du noyau est de 10 kilomètres et des détails aussi petits que 1 kilomètre peuvent être établis. (crédit: modification des travaux par l’ESA)

L’atmosphère de la comète

L’activité spectaculaire qui permet de voir les comètes est causée par l’évaporation des glaces cométaires chauffées par la lumière du soleil. Au-delà de la ceinture d’astéroïdes, où les comètes passent le plus clair de leur temps, ces glaces sont solidement gelées. Mais lorsqu’une comète s’approche du Soleil, elle commence à se réchauffer. Si l’eau (H2O) est la glace dominante, des quantités importantes se vaporisent lorsque la lumière du soleil chauffe la surface au-dessus de 200 K. Cela se produit pour la comète typique un peu au-delà de l’orbite de Mars. L’évaporation de l’H2O libère à son tour la poussière qui a été mélangée à la glace. Comme le noyau de la comète est si petit, sa gravité ne peut retenir ni le gaz ni la poussière, qui s’écoulent tous deux dans l’espace à une vitesse d’environ 1 kilomètre par seconde.

La comète continue d’absorber de l’énergie à l’approche du Soleil. Une grande partie de cette énergie va dans l’évaporation de sa glace, ainsi que dans le chauffage de la surface. Cependant, des observations récentes de nombreuses comètes indiquent que l’évaporation n’est pas uniforme et que la majeure partie du gaz est libérée par des poussées soudaines, peut-être confinées à quelques zones de la surface. En s’étendant dans l’espace à une vitesse d’environ 1 kilomètre par seconde, l’atmosphère de la comète peut atteindre une taille énorme. Le diamètre de la tête d’une comète est souvent aussi grand que Jupiter, et il peut parfois approcher un diamètre d’un million de kilomètres (Figure 6).

Figure 6: Tête de la comète Halley. Nous voyons ici le nuage de gaz et de poussière qui composent la tête, ou coma, de la comète Halley en 1986. À cette échelle, le noyau (caché à l’intérieur du nuage) serait un point trop petit pour être vu. (crédit : modification des travaux par la NASA / W. Liller)

Figure 7: Orbite et queue de la comète. L’orientation d’une queue de comète typique change lorsque la comète passe au périhélie. En approchant du Soleil, la queue est derrière la tête de comète entrante, mais à la sortie, la queue précède la tête.

La plupart des comètes développent également des queues à l’approche du Soleil. La queue d’une comète est une extension de son atmosphère, composée du même gaz et de la même poussière qui composent sa tête. Dès le XVIe siècle, les observateurs se sont rendu compte que les queues de comète pointaient toujours loin du Soleil (Figure 7), et non en arrière le long de l’orbite de la comète. Newton a proposé que les queues de comète soient formées par une force répulsive de la lumière du soleil éloignant les particules de la tête — une idée proche de notre vision moderne.

Les deux composants différents qui composent la queue (la poussière et le gaz) agissent un peu différemment. La partie la plus brillante de la queue est appelée queue de poussière, pour la différencier d’une queue plus faible et droite en gaz ionisé, appelée queue ionique. La queue ionique est transportée vers l’extérieur par des flux d’ions (particules chargées) émis par le Soleil. Comme vous pouvez le voir sur la figure 8, la queue de poussière plus lisse se courbe un peu, car des particules de poussière individuelles se propagent le long de l’orbite de la comète, tandis que l’ion droit est la queue poussée plus directement vers l’extérieur du Soleil par le vent de particules chargées de notre étoile

Figure 8: Queues de Comètes. a) À mesure qu’une comète s’approche du Soleil, ses caractéristiques deviennent plus visibles. Dans cette illustration de la NASA montrant la comète Hale-Bopp, vous pouvez voir les deux queues d’une comète: la queue de poussière plus facilement visible, qui peut mesurer jusqu’à 10 millions de kilomètres de long, et la queue de gaz plus faible (ou queue ionique), qui mesure jusqu’à des centaines de millions de kilomètres de long. Les grains qui composent la queue de la poussière sont de la taille des particules de fumée. b) La comète Mrkos a été photographiée en 1957 avec un télescope à grand champ à l’Observatoire Palomar et montre également une nette distinction entre la queue droite de gaz et la queue courbe de poussière. (crédit a: modification des travaux de l’ESO/ E. Slawik; crédit b: modification des travaux de Charles Kearns, George O. Abell et Byron Hill)

La mission de la comète Rosetta

Dans les années 1990, des scientifiques européens ont décidé de concevoir une mission beaucoup plus ambitieuse qui correspondrait aux orbites d’une comète entrante et la suivrait à l’approche du Soleil. Ils ont également proposé qu’un vaisseau spatial plus petit essaierait d’atterrir sur la comète. Le vaisseau spatial principal de 2 tonnes a été nommé Rosetta, transportant une douzaine d’instruments scientifiques, et son atterrisseur de 100 kilogrammes avec neuf autres instruments a été nommé Philae.

La mission Rosetta a été lancée en 2004. Des retards avec la fusée de lancement lui ont fait manquer sa comète cible d’origine, de sorte qu’une autre destination a été choisie, la comète Churyumov-Gerasimenko (du nom des deux découvreurs, mais généralement désignée 67P). La période de révolution de cette comète est de 6,45 ans, ce qui en fait une comète de la famille de Jupiter.

L’Agence spatiale européenne n’ayant pas accès aux sources d’énergie nucléaires au plutonium utilisées par la NASA pour les missions spatiales profondes, Rosetta a dû être alimentée à l’énergie solaire, nécessitant des panneaux solaires particulièrement grands. Même ceux-ci n’étaient pas suffisants pour que l’engin fonctionne car il correspondait à des orbites avec 67P près de l’aphélie de la comète. La seule solution était d’éteindre tous les systèmes du vaisseau spatial et de le laisser se diriger pendant plusieurs années vers le Soleil, sans contact avec les contrôleurs sur Terre jusqu’à ce que l’énergie solaire soit plus forte. Le succès de la mission dépendait d’une minuterie automatique pour rallumer le courant à l’approche du soleil. Heureusement, cette stratégie a fonctionné.

En août 2014, Rosetta a commencé une approche progressive du noyau de la comète, qui est un objet étrangement difforme d’environ 5 kilomètres de diamètre, assez différent de l’aspect lisse du noyau de Halley (mais tout aussi sombre). Sa période de rotation est de 12 heures. Le 12 novembre 2014, l’atterrisseur Philae a été largué, descendant lentement pendant 7 heures avant de toucher doucement la surface. Il a rebondi et roulé, s’arrêtant sous un surplomb où il n’y avait pas assez de soleil pour garder ses batteries chargées. Après avoir fonctionné pendant quelques heures et renvoyé les données à l’orbiteur, Philae est resté silencieux. La principale sonde Rosetta a cependant poursuivi ses opérations à mesure que le niveau d’activité de la comète augmentait, avec des vapeurs de gaz jetant de la surface. À l’approche du périhélie de la comète en septembre 2015, le vaisseau spatial a reculé pour assurer sa sécurité.

L’étendue des images de Rosetta (et des données d’autres instruments) dépasse de loin tout ce que les astronomes avaient vu auparavant depuis une comète. La meilleure résolution d’imagerie était presque un facteur de 100 supérieure à celle des meilleures images de Halley. À cette échelle, la comète apparaît étonnamment rugueuse, avec des angles vifs, des fosses profondes et des surplombs (Figure 9).

Figure 9: Forme étrange et caractéristiques de surface de la Comète 67P. (a) Cette image de la caméra Rosetta a été prise à une distance de 285 kilomètres. La résolution est de 5 mètres. Vous pouvez voir que la comète se compose de deux sections avec un “cou” de connexion entre elles. (b) Cette vue rapprochée de la comète Churyumov-Gerasimenko provient de l’atterrisseur Philae. L’un des trois pieds de l’atterrisseur est visible au premier plan. L’atterrisseur lui-même est principalement dans l’ombre. (crédit a : modification des travaux de l’ESA/Rosetta/MPS pour l’équipe OSIRIS MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA; crédit b: modification des travaux de l’ESA / Rosetta / Philae / CIVA)

La forme à deux lobes du noyau de 67P a été provisoirement attribuée à la collision et à la fusion de deux noyaux de comètes indépendants il y a longtemps. L’engin spatial a vérifié que la surface sombre de la comète était recouverte de composés organiques riches en carbone, mélangés à des sulfures et à des grains de fer-nickel. 67P a une densité moyenne de seulement 0,5 g / cm3 (rappelons que l’eau dans ces unités a une densité de 1 g / cm3.) Cette faible densité indique que la comète est assez poreuse, c’est-à-dire qu’il y a une grande quantité d’espace vide parmi ses matériaux.

Nous savions déjà que l’évaporation des glaces de la comète était sporadique et limitée à de petits jets, mais dans la comète 67P, cela a été poussé à l’extrême. À tout moment, plus de 99% de la surface est inactive. Les évents actifs ne font que quelques mètres de diamètre, le matériau étant confiné à des jets étroits qui ne persistent que quelques minutes (Figure 10). Le niveau d’activité est fortement dépendant du chauffage solaire, et entre juillet et août 2015, il a augmenté d’un facteur 10. L’analyse isotopique du deutérium dans l’eau éjectée par la comète montre qu’il est différent de l’eau trouvée sur Terre. Ainsi, apparemment, des comètes comme 67P n’ont pas contribué à l’origine de nos océans ou de l’eau dans notre corps, comme certains scientifiques l’avaient pensé.

Figure 10: Jets de gaz sur la comète 67P. (a) Cette activité a été photographiée par la sonde Rosetta près du périhélie. Vous pouvez voir un jet apparaître soudainement; il n’a été actif que pendant quelques minutes. (b) Cette photo spectaculaire, prise près du périhélie, montre la comète active entourée de multiples jets de gaz et de poussières. (crédit a, b : modification des travaux de l’ESA/Rosetta/MPS; crédit c: modification des travaux par ESA / Rosetta / NAVCAM)

Glossaire

comète: un petit corps de matière glacée et poussiéreuse qui tourne autour du Soleil; lorsqu’une comète s’approche du Soleil, une partie de sa matière se vaporise, formant une grande tête de gaz ténu et souvent une queue

noyau (d’une comète): le morceau solide de glace et de poussière dans la tête d’une comète

queue: (d’une comète) une queue composée de deux parties: la queue de poussière est faite de poussière détachée par la sublimation de la glace dans une comète qui est ensuite poussée par les photons du Soleil dans un flux incurvé; la queue ionique est un flux de particules ionisées évaporées d’une comète puis balayées du Soleil par le vent solaire