Une dixième planète, 2003 UB 313, provisoirement appelée Xéna ! Mais qu'est ce donc qu'une planète ?

Pierre Thomas

ENS Lyon

Florence Kalfoun

ENS Lyon / DGESCO

07/10/2005

Résumé

Le nouvel objet 2003 UB 313 découvert fin juillet 2005. Évolution de la définition d'une planète et réflexions en cours.


La découverte et l'étude de 2003 UB 313

Fin juillet 2005, Mike Brown annonçait la découverte d'un nouvel objet (provisoirement nommé 2003 UB 313 et officieusement appelé Xéna [et officiellement Eris en septembre 2006]), ayant une orbite voisine de celle des objets de Kuiper et surtout, une dimension supérieure à celle de Pluton (voir les nouvelles de la NASA et le site de Mike Brown).

Ce nouvel objet aurait un satellite, provisoirement nommé S/2005 (2003 UB 313) 1 et officieusement appelé Gabrielle (voir le site de Mike Brown).

La figure 1 montre le déplacement apparent (extrêmement faible) de 2003 UB 313 sur les "étoiles fixes" de la voûte céleste.

Figure 1. Juxtaposition de 3 images prises à 90 min d'intervalle le 21 octobre 2003 (Observatoire de Palomar)

Juxtaposition de 3 images prises à 90 min d'intervalle le 21 octobre 2003 (Observatoire de Palomar)

2003 UB 313 (cerclé de blanc) se déplace très légèrement par rapport au fond des étoiles. Ce déplacement est tellement faible qu'il n'avait pas été remarqué en 2003, mais simplement en 2005.


Rappelons ce que sont les objets de Kuiper et de Oort. Ces objets se trouvent dans des zones dans lesquelles des calculs théoriques placent plusieurs milliards de "petits" corps glacés en orbite autour du Soleil. Comme l'existence de Neptune a été prédite par l'observation de l'orbite d'Uranus avant sa découverte effective au télescope, Ceinture de Kuiper et Nuage de Oort ont été "prédits" bien avant que leurs premiers objets soient réellement observés. Les comètes ne seraient que des objets de Kuiper ou de Oort que des perturbations orbitales amènent près du Soleil. Les premiers objets de Kuiper observés ont été découverts en 1992.

Ceinture de Kuiper et Nuage de Oort sont les grands oubliés des représentations classiques du système solaire. Il est vrai qu'ils ne représentent que 99,9999 % de l'espace occupé.

Figure 2. La Ceinture de Kuiper et le Nuage de Oort, représentés à l'échelle

La Ceinture de Kuiper et le Nuage de Oort, représentés à l'échelle

Les orbites dessinées près du Soleil dans le schéma du haut représentent les orbites de Neptune, Uranus, Saturne et Jupiter. Les orbites du système solaire interne (de Mars à Mercure) sont trop près du Soleil pour être représentées à cette échelle. La Ceinture de Kuiper à un diamètre très largement supérieur (5 à 10 fois) à celui du système solaire "classique". Le Nuage de Oort a un diamètre 1000 fois supérieur à celui du système solaire "classique".


Ce nouvel objet, provisoirement nommé 2003 UB 313 et officieusement appelé Xéna, a un diamètre voisin de 2600 km (Pluton a un diamètre de 2240 km), une orbite inclinée de 44° sur l'écliptique (Pluton a une orbite inclinée de 17°), avec une distance au Soleil variant de 38 à 97 U.A (30 à 49 pour Pluton), une période de révolution de 557 ans (Pluton, 249 ans).

Si les caractéristiques orbitales sont "assez faciles" à obtenir, le diamètre de 2003 UB 313 est très difficile à mesurer, car même dans les meilleurs télescopes, cet objet n'est qu'un point sans dimension. Ce qu'on mesure facilement, c'est sa luminosité. Si l'on suppose qu'il s'agit d'un corps parfaitement blanc, d'albédo 1, on peut calculer une taille, qui sera une limite inférieure. Cette taille minimale est de 2200 km (très légèrement inférieure à celle de Pluton). Si on donne à ce corps un albédo "usuel" pour les corps glacés (0,6), on obtient un diamètre de 2900 km. Les 2600 km proposés par Mike Brown correspondent à une valeur intermédiaire. Mais si 2003 UB 313 est sombre (comme par exemple Charon, satellite de Pluton, avec un albédo de 0,38), il serait encore plus gros (3550ـkm).


Figure 4. Taille comparée de la Terre, Mercure, la Lune, Pluton, Quaoar, Sedna et 2003 UB 313

Taille comparée de la Terre, Mercure, la Lune, Pluton, Quaoar, Sedna et 2003 UB 313

La taille représentée pour 2003 UB 313 correspond à l'estimation de Mike Brant. Si les images de la Terre, la Lune et Mercure sont de vraies photos, les représentations de Pluton, Quaoar, Sedna et 2003 UB 313 ne sont que des dessins, la surface de ces astres n'ayant jamais pu être photographiée avec une bonne résolution.


Des études spectrale IR montre que la surface de 2003 UB 313 a un spectre assez similaire à celui de Pluton (dans les parties du spectre où existent des données). On y retrouve en particulier la signature spectrale de la glace de méthane, comme sur Pluton.


2003 UB 313 a un satellite [S/2005 (2003 UB313)1 ], découvert le 10 septembre 2001. Avec la découverte de ce satellite, on s'aperçoit donc que trois des quatre plus gros objets de Kuiper (Pluton, 2003UB313 et 2003 EL61) ont un satellite (figure 6).

Figure 6. Les 4 plus gros objets de Kuiper, images obtenues avec une optique adaptative

Les 4 plus gros objets de Kuiper, images obtenues avec une optique adaptative

Trois de ces quatre objets ont un satellite.


La presse spécialisée a fait un grand état de cette découverte, pendant les vacances il est vrai. Elle n'a pas beaucoup insisté sur l'origine de tels corps, mais a débattu du problème suivant : « 2003 UB313 est-il la dixième planète », ou bien « Pluton est-il vraiment une planète » ? Le débat avait été le même en 2004 après la découverte de Sedna et reprendra vraisemblablement quand on découvrira un objet de Kuiper ou de Oort encore plus gros, plus gros que Mercure par exemple.

Y a-t-il en effet 8, 9, 10 planètes, ou encore plus ? Le problème est en effet important pour les fabricants de maquettes du système solaire, pour les éditeurs qui publient des posters représentant le système solaire, ou encore pour les professeurs qui font réciter par cœur la liste des planètes dans l'ordre… Mais est-ce un problème important, scientifiquement important ?

Revenons sur la notion de planète.

Qu'est ce qu'une planète ?

La connaissance du système solaire et la notion de planète changent tout le temps.

Première définition : avant le 17ème siècle

Depuis quand l'homme regarde-t-il le ciel ? Nul ne le sait. Mais dès qu'il y a eu des observateurs, l'homme n'a pas pu ne pas s'apercevoir que cinq astres se déplaçaient sur la voûte céleste par rapport aux étoiles "fixes", qui, elles, tournaient régulièrement autour de l'axe des pôles. Ces astres, nommés Mercure, Vénus, Mars, Jupiter et Saturne par les Romains ont été appelés collectivement "planètes" (= astre voyageur ou astre errant en grec).


Après moult opinions exprimées par les astronomes de la Grèce antique, Ptolémée figea pour deux millénaires notre vision de l'Univers : la Terre était au centre de l'Univers  ; le Soleil, la Lune et les cinq planètes lui tournaient autour.

Premier changement

Copernic puis Galilée et Kepler proposèrent puis démontrèrent que ces cinq planètes tournaient autour du Soleil, ce que faisait aussi la Terre. Galilée, en découvrant les phases de Vénus ou les éclipses des satellites de Jupiter a montré que, comme la Terre et la Lune, ces cinq planètes n'émettaient pas de lumière propre mais ne faisaient que réfléchir celle du Soleil. On a alors compris qu'à ces cinq planètes, il fallait en ajouter une sixième, la Terre. Kepler a montré que ces six planètes tournaient autour du soleil sur des orbites quasi-circulaires , et quasiment dans le même plan, appelé plan de l'écliptique.

Deuxième changement

Au 18ème siècle , Halley montre que les comètes , mystérieux astres "chevelus" qui passent de temps en temps au voisinage de la Terre ont une très faible masse et tournent autour du Soleil sur des orbites très elliptiques , parfois en dehors du plan de l'écliptique. Le problème de leur nom (planète ou pas planète) ne se posait pas, puisqu'on les appelait comète depuis toujours. Mais implicitement, la définition de planète changeait : pour être planète, il ne suffisait plus de tourner autour du Soleil, il fallait de plus être "gros" et avoir une orbite presque circulaire.

Troisième changement

En 1781 , Herschel découvre un nouveau corps de grande taille dans le plan de l'écliptique, avec une orbite quasi-circulaire, au-delà de Saturne. Suivant la coutume qui nomme les planètes du nom de divinité gréco-romaines, on nomma ce nouveau corps Uranus , et on en a fait la 7ème planète.

En 1846 Le Verrier (et Adams) découvrent un corps de grande taille, au delà d'Uranus, avec aussi une orbite quasi circulaire, dans le plan de l'écliptique ; et on en fait la 8ème planète, Neptune .

Et en 1930 , Tombaugh découvre au delà de Neptune un corps nettement plus gros que les astéroïdes. Des estimations (fausses) faites quelques années plus tard lui donnaient un diamètre voisin de 5800 km, supérieur au diamètre de Mercure. On en a donc fait la 9ème planète, Pluton , bien que son orbite soit un peu plus elliptique et inclinée que les orbites des huit autres planètes. Le diamètre de Pluton a pu être mesuré avec précision dans les années 1970 : 2240 km, plus petit que Mercure donc, mais largement plus important que celui du plus gros des astéroïdes, Céres (1025 km).

Les découvertes de Neptune et de Pluton sont dans la logique de ce troisième changement : on augmente le nombre des planètes sans en changer la définition.

Quatrième changement

En 1801, Piazzi puis d'autres astronomes découvrent plusieurs petits corps orbitant entre Mars et Jupiter dans le plan de l'écliptique. Parce que petits, très nombreux, et sur des orbites voisines les unes des autres, et après de long débats, ils ont d'abord été baptisés "planètes", puis "petites planètes", puis ils ont perdus ce titre et sont maintenant appelés astéroïdes.

Cinquième changement

Dans les années 1950 , des calculs effectués à partir des orbites des comètes ont permis à Kuiper et à Oort de proposer l'existence de millions de corps trans-neptuniens et d'en calculer les orbites. Ces orbites se regroupent en deux familles : les objets de la Ceinture de Kuiper , plus ou moins dans le plan de l'écliptique, et les objets du Nuage de Oort , avec des orbites très elliptiques, de grand axe allant jusqu'à 50000 UA et réparties très largement hors de l'écliptique. Ces deux types d'objets auraient pour origine des corps initialement compris entre Jupiter et Neptune, et que la gravité des planètes géantes aurait expulsés au delà de Neptune. Ces corps, que personne n'avait jamais observés à l'époque, étaient sensés être de petite taille (taille "cométaire" et non "planétaire").

La définition de planète étaient donc claire dans les années 1950 à 1991 :«  une planète était un "gros" objet en orbite à peu près circulaire autour du Soleil, à peu près dans le plan de l'ecliptique ». La notion de gros est évidemment relative. Comme on a pris l'habitude de considérer que 1025 km (Céres) est trop petit pour une planète et que 2240 km (Pluton) est suffisant, la limite (arbitraire) se situerait entre 1025 et 2240 km . Comètes et objets de Kuiper et de Oort étaient trop petits et/ou avaient des orbites trop elliptiques ou trop inclinées pour être classés dans la catégorie "planète". Les planètes n'émettent pas de lumière, mais réfléchissent la lumière du Soleil. Avec ces définitions-conventions, il y avait donc neuf planètes dans le système solaire.


Sixième changement

La situation s'est compliquée dans les années 1990.

En 1992 , Jewitt and Luu (à l'Observatoire de l'Université d'Hawaï) ont découvert le premier objet trans-neptunien (autre que Pluton), à peu près dans le plan de l'écliptique et dans la fourchette des distances calculées par Kuiper. Les calculs de Kuiper qui prédisaient l'existence d'objets au-delà de Neptune étaient donc bons. Plus de 800 objets de diamètre compris entre 100 et 1300 km ont déjà été découverts dans cette Ceinture de Kuiper. Le plus gros objet de Kuiper "typique" connu et officiellement baptisé Quaoar, a un diamètre d'environ 1300 km.

Situation actuelle, peut-être le septième changement

Les amateurs d'ordre, les amoureux des classifications, ceux qui aiment bien que chaque chose soit à sa place, dans la "case" qui lui est affectée… tous ceux-là commencèrent à se poser des questions : si Pluton est une planète, pourquoi pas Quaoar. On peut même se poser une question plus iconoclaste : Pluton n'est-il, comme Quaoar, qu'un objet de Kuiper, simplement le plus gros d'entre eux, et non pas une planète ?

Le découverte de Sedna en 2004, avec son diamètre voisin de 1500 km et une orbite voisine des orbites de Oort a renforcé la polémique. Et l'annonce récente de la découverte de 2003 UB313, relance le débat. 2003 UB313 a un diamètre voisin de 2600 km, supérieur à celui de Pluton, une orbite très elliptique (distance au Soleil variant de 38 à 97 UA), une inclinaison de 44° sur l'écliptique. La taille en fait une planète ; l'orbite en fait un objet intermédiaire entre ceux de Oort et de Kuiper. Alors ?

Le débat : " planet or not planet "

Différents critères peuvent alors être pris en compte pour classer ces objets en planète ou non.

  • On peut utiliser l' ellipticité de l'orbite ou la taille de l'objet . Mais il faudrait déterminer (arbitrairement) une ellipticité ou un diamètre seuil.
  • On peut prendre en considération des critères de masse relative  : ne seraient appelés "planètes" que les corps dont la masse est largement supérieure à la masse des autres corps ayant des orbites voisines. Dans ce cas, Pluton n'est pas une planète, puisque il y a 2003 UB313. Ce critère est très à la mode actuellement, et a les faveurs de Mike Brown, le grand découvreur d'objets de Kuiper. Mais la masse de la Terre (6.1024 kg) est supérieure (de peu, il est vrai) à la somme des masses de Mercure (3,3.1023 kg), Vénus (4,8.1024 kg) et Mars (6,4.1023), soit un total de 5,7.1024 kg, inférieur à la masse de la seule Terre. Et l'orbite de 2003 UB313 est plus différente de celle de Pluton que l'orbite de Mars n'est différente de celle de la Terre.
  • D'autres considèrent les ressemblances  : Pluton étant très différent des planètes voisines comme Neptune, ce ne serait pas une planète. Mais avec ce critère, Jupiter, très différent des planètes internes, n'en serait pas une.
  • On peut enfin considérer la présence de satellite , comme critère de planétitude. Mais des objets typiquement "kuipérien" et des astéroïdes comme Ida ont aussi un satellite sans qu'on songe à les appeler "planètes" (voir figure 9).
  • On peut enfin considérer des critères génétiques , séparant les objets qui sont encore sur leur lieu de naissance, de ceux qui l'ont quitté. Mais cela est très difficile à déterminer, et il semble que les migrations d'orbite aient été nombreuses dans les premiers temps du système solaire.

Ce débat shakespearien, " planet or not planet " m'inspire une comparaison. Tout le monde fait la différence entre un enfant et un adulte. Mais que fait-on d'un individu entre 16 et 24 ans : adulte ou non adulte ? Il y a la majorité civile, différente de la majorité pénale ou de la majorité sexuelle. Et pour chacun de ces trois critères, les âges seuils changent avec le pays, l'époque… Savoir si un individu de 17 ou de 20 ans est un adulte ou pas, c'est important pour le législateur ; mais l'est-ce pour le biologiste ? Ce qui compte vraiment pour le biologiste, c'est de savoir comment et pourquoi s'effectuent le développement d'un individu, ou plutôt les développements non synchrones de son cerveau, de ses organes sexuels, de son squelette, etc, développements qui lui font atteindre l'âge adulte. Pour l'espèce humaine, ce sont d'abord les organes sexuels qui atteignent leur maturité, puis c'est le squelette, et enfin le cerveau. Suivant l'organe retenu, la spécialité médicale, l'âge du passage à l'état adulte est variable. Et vouloir définir précisément et globalement l'âge du début de l'état d'adulte est forcément conventionnel et arbitraire. Et cette cruelle incertitude n'empêchera pas un médecin de soigner un jeune de 17 ans et 11 mois de la même façon qu'un autre de 18 ans et 1 mois.

Pour nos "planètes et associés", c'est pareil. Ce qui est important pour un scientifique, c'est de savoir pourquoi le système solaire est ce qu'il est : pourquoi y a-t-il des corps rocheux de taille "moyenne" dans le système solaire interne, pourquoi y a-t-il ensuite de nombreux petits corps rocheux (les astéroïdes), puis pourquoi y a t-il des géantes gazeuses (mais avec des satellites en glaces) dans la zone médiane, et pourquoi y a t-il de nombreux corps glacés dans le système solaire externe. Le reste, ce n'est qu'une question de nom ! Les planétologues qui étudient les "planètes" étudient aussi les satellites (Lune, Titan…) et étudieront bien sûr Sedna et 2003 Ub 313 qu'ils soient baptisés ou non planètes par l'Union Astronomique Internationale.

Le débat sur la "planétitude" de Pluton ou de 2003 UB313 rappelle un peu le débat sur la position du Mont Saint Michel, en Bretagne ou en Normandie. La frontière administrative entre ces deux provinces est représentée par un fleuve côtier, le Couesnon, fleuve qui divague dans les vasières de la baie (figure 10). Actuellement, les divagations du fleuves sont stoppées par la poldérisation de la baie et par la construction de la digue routière. Et quand on a bâti cette digue, les divagations du Couesnon le faisait passer à l'Ouest du Mont : le Mont Saint Michel est donc en Normandie, ce que rappelle un proverbe local : « le Couesnon en sa folie a mis le Mont en Normandie ».

Figure 10. Vue aérienne du Mont Saint Michel

Vue aérienne du Mont Saint Michel

Le Couesnon actuel passe à gauche (à l'Ouest) de la digue, et le Mont est en Normandie. Mais si on enlève la digue, le Couesnon pourra facilement passer à droite. Un méandre abandonné visible sur la photo semble suggérer que cela a pu être le cas il n'y a pas si longtemps, avant la construction de la digue.


Mais il se peut bien que la destruction programmée de la digue (pour désensabler le Mont) change la situation et que lors de la prochaine crue, le Couesnon dérive, et passe à l'Est du Mont, qui se retrouverait alors… en Bretagne. Il y aura alors certainement une grande querelle entre les deux régions pour savoir si le Mont est devenu breton ou reste normand. Mais breton ou normand, le Mont Saint Michel restera une merveille du Moyen-Âge. Et planètes ou non, Pluton et les autres restent des corps qu'il faut étudier et comprendre.