Les orbites chaotiques de Cérès et Vesta

Jeudi, 14 juillet 2011

Ceres et Vesta sont les plus grands corps de la ceinture principale d'astéroïdes, orbitants entre Mars et Jupiter. Jusqu'à présent, leur mouvement était considéré comme relativement régulier. Mais une nouvelle étude menée par des astronomes du CNRS et des observatoires de Paris et de Besançon montre que lorsque leurs perturbations gravitationnelles mutuelles sont prises en compte, les mouvements de Cérès et Vesta sont fortement chaotiques, en raison des rencontres proches répétées de ces corps avec les astéroïdes. Il devient alors impossible de calculer leur position sur plus de 500 000 ans. De manière surprenante, cette incertitude affecte également très fortement les reconstructions à long terme de l'orbite de la Terre, dont la validité est alors limitée à des durées de moins de 60 millions d'années.

Depuis plusieurs décennies, l'équipe dirigée par Jacques Laskar (Institut de Mécanique Céleste et de Calcul des Ephémérides ; CNRS, Observatoire de Paris, Université Pierre et Marie Curie) travaille à l'amélioration des éphémérides planétaires à long terme, visant à obtenir la meilleure solution possible pour l'orbite de la Terre. Ces recherches sont motivées par la possibilité de calibrer les échelles de temps géologique par corrélation entre les données géologiques stratigraphique et la variation calculée de l'insolation à la surface de la Terre résultant de la variation de son orbite et de son orientation.

Observations de Cérès par te télescope spatial Hubble de la NASA. © NASA, ESA, J.-Y. Li (Université du Maryland) et G. Bacon (STScI). La tâche est difficile car le comportement chaotique du Système solaire induit une augmentation exponentielle de l'incertitude initiale de la solution qui est multipliée par 10 tous les 10 millions d'années (Ma). Un résultat majeur a été obtenu avec la calibration astronomique de la période du Néogène (0 à 23,03 Ma) grâce à la solution orbitale La2004 (Laskar et al., 2004). Cette échelle de temps (Lourens et al, 2004) est désormais intégrée à la dernière échelle de temps géologique adoptées par l'Union Internationale des Sciences Géologiques (IUGS).

Depuis 2004, Un effort continu a été déployé afin d'étendre cette calibration astronomique sur la totalité du Cénozoïque, sur environ 65 Ma, jusqu'à l'époque de la fin des dinosaures, l'équipe de l'Observatoire de Paris y jouant un rôle essentiel..  Malgré tous les efforts, la dernière solution, La2010, n'est valable que sur 50 Ma (Laskar et al., 2011).

 

Vesta. La sonde spatiale Dawn de la NASA a obtenu cette image le 1er juillet 2011. Elle a été prise a une distance de Vesta d'environ 100 000 kilomètres. © NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA. Dans une nouvelle étude, publiée le 15 juillet dans une lettre à Astronomy and Astrophysics, l'équipe a identifié les raisons de ces difficultés imprévues rencontrées lors de la construction de ces solutions à long terme. Ils ont étudié en détail l'orbite de Cérès et des astéroïdes principaux, Pallas, Vesta, Iris, et Bamberga, et leurs interactions avec les orbites planétaires.

Les mouvements de Cérès et Vesta étaient jusqu'à présent considérés comme relativement régulier, mais les calculs précédents ne tenaient pas compte de leurs interactions mutuelles. Avec la prise en compte des interactions gravitationnelles entre ces corps, Jacques Laskar et ses collaborateurs ont découvert que les mouvements de Cérès et Vesta sont en réalité fortement chaotiques. En conséquence, même si l'incertitude initiale sur la position actuelle de ces petits corps est de seulement 15 m (beaucoup moins que la précision actuelle sur ces mesures), leur position sera totalement erronée en moins de 400 000 ans (Fig1).

Ces corps sont beaucoup plus petits que les planètes : Cérès et Vesta sont respectivement 6 000 et 22 000 fois moins massifs que la Terre. Néanmoins, ils exercent des perturbations non négligeables sur les orbites des planètes qui sont elles-mêmes chaotiques, mais sur une échelle de temps plus long. En raison de ces interactions, l'excentricité de la Terre devient imprévisible après 60 Ma, un peu moins que la durée de l'ère Cénozoïque.


Erreur dans la longitude de Cérès et Vesta pour une erreur initiale de 15 m. Le logarithme décimal de l'erreur en longitude (en radians) est tracée en fonction du temps. En bleu, l'interaction mutuelle des astéroïdes est négligée. Cérès et Vesta se comportent très régulièrement et l'erreur est de seulement 0,0001 rad après 500 000 ans. En rouge, les interactions mutuelles sont prises en compte. La position est totalement perdue pour Cérès après 400 000 ans et pour Vesta, après seulement 200 000 ans. © J. Laskar.

Comme le vaisseau spatial Dawn de la NASA s'approche de Vesta, et sera en orbite autour de cet astéroïde pendant plusieurs mois avant de continuer sa route vers Cérès, on peut s'attendre à ce que la précision sur les positions de Cérès et Vesta soient largement améliorées. Mais ce ne sera d'aucune utilité pour les études paléoclimatiques. En effet, même si l'erreur erreur initiale sur ces positions est réduite à seulement 1,5 mm, l'erreur en position sera toujours de 100% en moins de 500 000 ans, et il n'y aura donc pas de changement dans le temps de validité de la solution orbitale de la Terre . Cette limite de 60 Myr apparaît ainsi comme une limite absolue pour une prédiction précise de l'excentricité de la Terre, qui ne sera pas améliorée facilement dans l'avenir.

En dépit de leur faible masse, Cérès et Vesta apparaissent donc comme le facteur limitant principal pour l'élaboration d'une solution précise de l'évolution de l'orbite de la Terre sur la totalité du Cénozoïque.

 

 

Pour en savoir plus: 
Source(s): 

"Strong chaos induced by close encounters with Ceres and Vesta". J. Laskar, M. Gastineau, J.-B. Delisle, A. Farrés, A. Fienga. A&A, 2011, 532, L, in press

"La2010: A new orbital solution for the long-term motion of the Earth". J. Laskar, A. Fienga, M. Gastineau, H. Manche. A&A, in press, DOI: 10.1051/0004-6361/201116836

Contact(s):
  • Jacques Laskar, IMCCE (Observatoire de Paris/CNRS/Université Lille 1/UPMC)
    laskar [at] imcce [dot] fr, 01 40 51 21 14

La reprise des actualités du site est autorisée avec la mention "Source : Actualités du CNRS-INSU" et un lien pointant sur la page correspondante.