Astronomie des astéroïdes III

Voici le dernier article de la petite trilogie promise et qui s'intéresse plus particulièrement à la composition des astéroïdes ou tout simplement à quoi ils ressemblent ? Après avoir passé en revue le plus général (où sont-ils répartis ? combien sont-ils), il est temps de répondre à la question : que sont-ils ?

La sonde Dawn explore Vesta et Cérès

Dernier extrait du cours de A. Doressundiram et R. Moreno. Ces textes leur appartiennent et ne sont repris ici que pour faciliter leur lecture.

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DIVERSITÉ DES ASTÉROÏDES

Les astéroïdes présentent une grande diversité de tailles, de formes et de couleurs. Nous avons vu que la taille des astéroïdes varie entre un millier de kilomètres pour le plus gros (Cérès) et quelques mètres de diamètre pour les plus petits.

Les masses actuellement connues pour les trois plus gros astéroïdes sont :
1 Cérès 1,18 10²¹ kg
2 Pallas 0,216 10²¹ kg
4 Vesta 0,275 10²¹ kg
Ce qui donne des densités de:
1 Cérès 2,12 (± 40%) g.cm^-3
2 Pallas 2,62 (± 35%) g.cm^-3
4 Vesta 3,16 (± 45%) g.cm^-3

La connaissance des densités des petits corps apporte quelques indications sur la composition interne, par comparaison avec les densités des météorites.
Les formes des astéroïdes peuvent être plus ou moins déterminées, tout comme leur  période de rotation, à partir de la courbe de lumière. Pour les astéroïdes suffisamment grands (D > 150km), la forme d'équilibre gravitationnelle est la sphère. Par contre, la forme des astéroïdes plus petits, issus des collisions, est certainement irrégulière. Cependant, un certain nombre de fragments peuvent se réaccumuler, sous l'effet de l'autogravitation et former un aggloméré sphérique. C'est ce qu'on appelle un « tas de gravats » ou en anglais, « rubble pile ».

La ceinture principale d'astéroïdes (CPA) : planète avortée ou détruite ?

C'est une question qui a longtemps occupé les esprits des scientifiques depuis les premières années de la découverte des astéroïdes. En effet, faisant écho à la fameuse loi de Titius-Bode, on s'attendait à trouver entre Mars et Jupiter (2,8 AU) une seule et unique planète, au lieu des myriades de petits corps que l'on connait aujourd'hui. La Ceinture Principale d'Astéroïdes serait-elle le résultat d'une planète ayant explosé en milliers de débris ?

En fait, on pense plutot aujourd'hui que la CPA est la conséquence d'une planète n'ayant jamais pu se former. Pourquoi ? Parce que la formation précoce de Jupiter a eu pour conséquence d'exciter (d'accélérer les vitesses) les planétésimaux présents entre Mars et Jupiter, empêchant ainsi tout phénomène d'accrétion. Rappelons que la formation des planètes s'est faite par accrétion, c'est à dire collisions constructives (coalescence), entre planétésimaux. Or, à cause de la présence de Jupiter, les collisions dans la Ceinture actuelle sont destructives.

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PORTRAITS

Même avec les plus grands télescopes du monde, un astéroïde apparaitra toujours comme un petit point brillant, car c'est un corps relativement petit et distant. Pour avoir une idée véritable de la surface d'un astéroïde et en avoir une image précise, il faut envoyer une sonde planétaire. Ces dernières années ont, par chance, permis à des missions spatiales de ramener des images spectaculaires de ces petits corps. 

Le système double Ida-Dactyl observé lors du survol de la sonde GALILEO le 28 Août 1993 constitua la première preuve directe de l'existence d'astéroïdes binaires.

Ida est la première image (avec Gaspra) d'un astéroïde. Elle a été prise par la sonde Galileo en route vers Jupiter. Ida a pour dimensions 56 x 24 x 21 kilomètres. On peut voir que la surface de Ida est couverte de cratères, témoignant du fait qu'aucun corps du Système Solaire (même aussi petit qu'un astéroïde) n'a été épargné par les collisions.

Image de 253 Mathilde prise par la sonde NEAR le 27 Juin 1997 à une distance de 2400 km. La partie éclairée de l'astéroïde fait environ 59 par 47 km d'envergure, la lumière incidente du Soleil venant d'en haut à droite. La résolution est de 380 mètres. On peut distinguer au centre le plus gros cratère de 30 km de diamètre ainsi que les bords d'autres grands cratères.

Les images de Mathilde ont surpris en révélant des collisions intenses observées grâce aux cratères en surface. L'imageur de la sonde a trouvé au moins cinq cratères de plus de vingt kilomètres de diamètre sur le côté jour de l'astéroïde. On se demande comment Mathilde a pu rester intact après des collisions aussi violentes, et c'est pourquoi on pense que l'astéroïde a une structure en "rubble pile". La valeur de la densité autour de 1,3 semble conforter cette hypothèse.
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NEAR et autres missions

433 Eros a une place particulière dans la population astéroïdale. Tout d'abord c'est un des plus gros géocroiseurs (33x13x13 km), d'autre part il a fait l'objet d'une mission dédiée de la NASA : la mission NEAR (Near Earth Asteroid Rendez-vous). En effet, la sonde NEAR a étudié Eros sous toutes ses coutures, passant une année en orbite autour de l'astéroïde, pour finalement y "atterrir" le 12 février 2001.

Ce montage donne une vue synthétique d'astéroïdes visités par des sondes spatiales depuis 1991. 253 Mathilde, le plus gros des astéroïdes visités, a un diamètre de 60 km.

La sonde Hayabusa de l'agence spatiale japonaise (JAXA) a atteint l’astéroïde Itokawa en 2005, autour duquel elle s'est mise en orbite proche (prenant des photographies à environ 10km de d'altitude). La sonde est ensuite parvenue, de façon spectaculaire et pour la première fois, à "atterrir" sur l'astéroïde le 19 novembre pour y prélever directement des échantillons ! Ayant ensuite redécollé, Hayabusa a fait route vers la Terre pour y larguer sa récolte en 2010. 

Composition

Les astéroïdes sont de petits rochers dont la composition consiste essentiellement en des silicates (pyroxène, olivine) et des métaux. La spectroscopie, appliquée à l'observation de ces corps, permet de décomposer la lumière qu'ils renvoient, et ainsi d'obtenir leur spectre, qui permet de caractériser la composition chimique des astéroïdes. Le pourcentage de lumière réfléchie, caractérisé par l'albédo, est un autre paramètre important qui permet d'affiner cette composition. Par exemple, savoir si on a affaire à un matériau brillant ou sombre est important. Albédo et spectres permettent de classer les astéroïdes en types taxonomiques (la taxonomie est la science qui a pour objet de décrire les corps afin de pouvoir les identifier, les nommer et les classer) :

• Type C : 75 % des astéroïdes connus. Très sombres. Composés de roches et carbone.
• Type S : 17 % des astéroïdes. Relativement brillants. Composés de fer et nickel métalliques mixés avec des silicates de fer et de magnésium
• Type M : le reste des astéroïdes, pour la plupart. Relativement brillants. Composés de fer et nickel, avec très peu de silicates

Il existe encore une douzaine d'autres types plus rares mais qui sont des variantes de ces 3 types principaux.

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CONCLUSION

Vers une nouvelle ère d'exploration des petits corps du Système Solaire

Après le succès retentissant de la mission NEAR vers l'astéroïde EROS, les scientifiques envisagent des missions beaucoup plus ambitieuses. C'est le cas par exemple de la mission HAYABUSA de l'agence spatiale japonaise (JAXA) dont l'objectif est ni plus ni moins que de ramener un échantillon d'astéroïde sur Terre.

Deux missions d'envergure sont actuellement sur les rangs. La mission NASA Dawn a été lancée le 27 septembre 2007. Elle fait route vers deux astéroïdes majeurs, Cérès et Vesta, autour desquels elle se mettra en orbite (2001-2012 pour Vesta et 2015 pour Cérès) afin d'étudier leur composition très différente.

En parallèle, la mission NASA New Horizons, lancée le 19 janvier 2006 à destination des confins du système solaire, survolera le centaure Crantor en 2010, Pluton et Charon en 2015 (ainsi que leurs deux nouveaux satellites Hydra et Nyx, décelés par le satellite Hubble en 2005), pour continuer ensuite dans la ceinture de Kuiper jusqu'en 2020, où plusieurs objets de 50 à 100km de diamètre pourront être observés.

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A LIRE ÉGALEMENT : dans le Bulletin n°59, l'article : Spectroscopie astronomique, l'art de faire parler la lumière