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[SCIENCE] Le retour de la Planète X

Vous l’avez certainement entendu aux informations : on a potentiellement détecté une nouvelle Planète. Si si si ! Une planète et pas un planétoïde comme Pluton ! Malgré, une nouvelle fois, l’engouement des médias, il faut bien avouer que cette histoire semble plutôt prometteuse. Bien entendu, comme d’habitude, il faut la prendre avec des pincettes, mais en tout cas, cette potentielle découverte d’une nouvelle planète me permet de vous narrer la chouette histoire du système solaire. Oh pas l’histoire de la formation du système solaire, vu que celle-ci, on la connaît assez mal. En revanche, je peux vous parler de l’histoire des découvertes des planètes et de leur classification ! Une fois que j’aurai terminé vous comprendrez mieux ce qu’il en est de cette nouvelle neuvième planète et dans quelles circonstances on pense l’avoir découverte.

Les sept premières planètes.

Les cinq premières planètes (excluant la Terre) du système solaire sont aisément observables depuis la Terre. Dans l’ordre : Mercure, Vénus, Mars, Jupiter et Saturne. Toutes cinq sont des astres extrêmement brillants qui peuvent être observés à l’oeil nu. Durant l’Antiquité, on leur attribue le nom « d’astres errants ». En effet, contrairement aux étoiles, leur position dans le ciel change de jour en jour et semble suivre une trajectoire étrange. Quant à la septième planète, Uranus, elle est considérée comme une étoile jusqu’au XVIIIe siècle ! Sa découverte est attribuée à William Herschel, astronome Germano-Anglais, en 1781. Au départ, confondu avec une comète, le nouvel objet suscite beaucoup de discussions autour de sa nature. Son statut sera confirmé en 1783 alors qu’Anders Lexell montre que la trajectoire d’Uranus correspond bien à celle d’une planète.

Les découvertes de Neptune et de Pluton

Au-delà d’Uranus, impossible de voir une planète a l’œil nu. En cela, la découverte de Neptune et de Pluton sont des exemples typiques de la réussite de la Science, et en particulier de son pouvoir de prédiction. Anders Lexell, mentionné précédemment pour avoir calculé mathématiquement l’orbite d’Uranus, lorsqu’il confronte ses calculs à la position effective d’Uranus dans le ciel, et se rend compte que les deux ne correspondent pas complètement. Il suggère à la fin du XVIIIe siècle qu’il se pourrait qu’il y ait d’autres planètes, plus loin, qui perturbent la trajectoire d’Uranus.

Cette hypothèse resurgit un demi-siècle plus tard lorsqu’Alexis Bouvard, astronome Français, est mis devant le fait accompli : les tables qu’il a publiées, prédisant la position d’Uranus en se basant sur les lois de la gravitation (Newton et Kepler), sont en désaccord avec les observations. En 1845, François Arago, directeur de l’Observatoire de Paris, charge Urbain Le Verrier de résoudre le problème de manière mathématique en étudiant la perturbation de l’orbite d’Uranus, et en en déduisant les propriétés du corps perturbateur. En faisant ces calculs, on peut ainsi prédire où se trouve l’astre en question. En juin 1846, Le Verrier expose ses résultats à l’Académie des sciences : il y prédit la position du fameux corps perturbateur.

Après ça : c’est le rush ! Tout le monde court à la recherche de la position de la planète fantôme. Ce sera au premier qui l’observera et qui tirera le crédit de la découverte. L’Angleterre se met activement aux observations pendant que Le Verrier refait ses calculs et arrive à en déduire la masse du corps perturbateur. Le 23 septembre 1846, Johann Gottfried Galle et Heinrich Louis d’Arrest à Berlin fouillent la région du ciel indiquée par Le Verrier et la comparent aux cartes du ciel de l’époque. Si la planète est présente dans le ciel à ce moment, elle ne sera pas visible sur la carte du ciel. Ils la découvriront le soir même, au nez et à la barbe des Anglais.

Cet exemple montre l’étonnante puissance des calculs et de la théorie de Newton à l’époque. C’est aussi une très bonne illustration de processus scientifique : on détecte une anomalie dans les mesures par rapport à la théorie. On créé une nouvelle théorie (planète perturbatrice), on propose un protocole expérimental (ici une observation) qui sert de vérification à la nouvelle théorie.

L’histoire de Pluton est à peu de choses près la même. A la fin du XIXe siècle, des anomalies sont observées dans l’orbite calculée de Neptune. On suppose ainsi l’existence d’un nouvel élément perturbateur, que l’on théorise puis observe. C’est la recherche de la fameuse Planète X menée par Percival Lowell aux États-Unis. L’observation viendra en 1930 par le jeune américain Clyde Tombaugh. L’histoire de la découverte de Pluton est moins tumultueuse que celle de Neptune. La partie véritablement intéressante sur Pluton démarre au début du XXIe siècle avec sa déchéance du rang des planètes.

Image de Pluton prise par la sonde New Horizons

Avoue Clyde, tu t’attendais pas à trouver un monde aussi classe ? Oui, il s’agit d’une vraie photo. (Source : NASA, New Horizons)

La déchéance de Pluton

Après la découverte de Pluton, Tombaugh passera quelques années à chercher d’autres objets massifs, sans succès. Il faudra attendre 1992 pour découvrir un nouvel objet trans-neptunien, c’est à dire au-delà de l’orbite de Neptune. Ce nouvel objet a pour nom 1992-QB1. 1992 pour l’année et QB1 pour indiquer – dans le système de désignation provisoire[1] – qu’il est le 27e objet découvert entre le 16 aout et le 1er septembre. Bien que ce soit complètement accessoire a cette histoire, j’aime en parler puisque cet objet donne son nom à tous les objets standards de la ceinture de Kuiper, que l’on appelle des cubewano (prononcez QB1-o à l’anglaise), ce qui est, somme toute, un nom marrant.

Revenons à nos trans-neptuniens. Si la découverte d’objets dans la ceinture de Kuiper n’est pas en soi une grande surprise, il faudra attendre encore quelques années pour découvrir les premiers objets d’une taille comparable à celle de Pluton. A ce moment, une équipe commence à faire parler d’elle pour sa découverte de nombreux objets trans-neptuniens : celle de Michael Brown de l’université de Californie (CalTech). Michael Brown consacre une partie de ses recherches dans les années 90 à détecter des trans-neptuniens. Si avant 1990, il contribue à la détection de quelques comètes, son équipe atteint un pic de découvertes autour de 2000. L’apogée étant, en 2005 la découverte d’Eris, un objet situé au-delà de la ceinture de Kuiper, d’un rayon légèrement inférieur à celui de Pluton.

Les analyses d’Eris montrent que l’objet dispose d’une masse supérieure a Pluton. Est-ce que cela veut dire qu’on doit la considérer comme une planète aussi ? C’est à ce moment-là que la discussion démarre sérieusement dans la communauté scientifique : Maintenant que l’on a la preuve observationnelle que les tailles des objets telluriques (« durs » par opposition à gazeux) peuvent aller du petit météore à la taille de la Terre (et plus encore), alors où place-t-on la limite entre un gros astéroïde comme Ceres, situé entre Mars et Jupiter et mesurant 945 km de rayon, et une planète comme Pluton mesurant 1100 km de rayon ? C’est dans ce contexte que la communauté astronomique s’interroge sur la question, simple d’aspect : mais qu’est-ce que c’est une planète ?

Image de la série Rick and Morty sur le statut de Pluton "Pluto is a fucking planet, bitch"

Jerry est en tout cas célébré pour son opinion sur Pluton. (source : http://www.adultswim.com/videos/rick-and-morty/)

La décision est tranchée en en août 2006. L’Union Internationale d’Astronomie (IAU pour International Astronomical Union) définit la notion de planète, et plus précisément de planète du système solaire. Une planète (du système solaire) doit répondre à trois critères. Premièrement, elle doit être en orbite autour du soleil. Secundo, elle doit être suffisamment massive pour être ronde. Enfin, elle doit avoir « nettoyé son voisinage ». C’est cette dernière notion qui est toujours un peu floue. Expliqué avec les mains, cela veut simplement dire que la planète domine en masse tout ce qui l’entoure. Encore plus concrètement, cela veut dire que la planète a une masse bien supérieure aux objets qui l’entourent.

Si l’on fait la somme des masses des objets placés sur la même orbite que Pluton autour du soleil (sans compter les satellites de Pluton), on se rend compte que Pluton représente à peine quelques centièmes de cette masse. En comparaison, la Terre a une masse 1.7 millions de fois celle de son entourage. Voilà donc la différence.

Dans cette déchéance de statut, Michael Brown a donc joué un rôle important. D’abord dans la découverte d’Eris, puis en devenant un frondeur pour une nouvelle classification. A tel point qu’il a même publié un livre intitulé « Comment j’ai tué Pluton et pourquoi elle l’avait bien cherché »[2]

Number nine ?

C’est donc avec surprise que début janvier 2016, le même Mike Brown revient avec une nouvelle détonante : il pense avoir découvert les traces d’une nouvelle planète au système solaire. Non pas, planétoïde, ou planète naine, mais bien planète ! Alors qu’en est-il de cette nouvelle détonante ?

L’article scientifique, soumis en novembre 2015 et publié le 20 janvier 2016, co-signé Konstantin Batygin (premier auteur) et Mike Brown s’intitule : « Evidence for a distant giant planet in the solar system »[3]. Littéralement : « Des preuves d’une planète géante, distante, dans le système solaire ». Ce qu’il faut bien comprendre, c’est que cette fois-ci la planète est très difficile à observer avec un télescope. Alors comment Mike Brown et ses acolytes s’y sont pris cette fois-ci ?

Comic de XKCD décrivant les différentes planètes à découvrir (et découvertes)

Randall Munroe, l’auteur de XKCD, montre avec comique et brio les limites de ce que l’on peut voir avec des télescopes. La nouvelle planète se trouve en plein dans la zone rouge que l’on ne peut pas observer. (source : http://www.xkcd.com/1633/ )

On définit l’orbite d’un corps dans le système solaire par un ensemble de six variables[4] qui permettent de déterminer la forme de sa trajectoire. En 2014, Chad Trujillo et Scott Shepard se rendent compte qu’un nombre important d’objets de la ceinture de Kuiper ont la même valeur pour l’un de ces six paramètres[5]. Ce qui est surprenant, c’est que le système solaire étant vieux de plusieurs milliards d’années, la répartition des valeurs de ce paramètre pour autant de corps devrait être aléatoire, ou répartie plus uniformément sans préférence. Le fait donc que tous ces corps aient la même valeur montre qu’il y a une « anomalie », et donc une bonne piste pour les scientifiques qui vont pouvoir investiguer. Trujillo et Shepard supposent dans leur article qu’il existe un corps perturbateur qui modifie la trajectoire des corps aux environs, ce qui expliquerait cette valeur (ça vous rappelle quelque chose cette idée ?). Malheureusement, leur explication ne tient pas bien la route et s’effondre sous les tests et les hypothèses scientifiques. En particulier leur hypothèse de travail nécessiterait la présence de plusieurs planètes ayant des orbites complexes pour arriver à un tel résultat. D’autres hypothèses sont formulées, mais aucune ne semble bien correspondre à la situation.

Ce qui nous amène à l’article de Batygin et Brown de 2016 reprenant les hypothèses de Trujillo et Shepard. Dans cet article, les deux scientifiques analysent les propriétés des objets de la ceinture de Kuiper et en déduisent une série de propriétés qu’un éventuel perturbateur devrait avoir pour produire l’effet que l’on observe. Connaissant ces caractéristiques, Batygin et Brown se sont servis de supercalculateurs pour lancer des simulations de système solaire en accord avec leur base théorique. Pour ceux qui ne connaissent pas le principe d’une simulation numérique, disons qu’il s’agit d’un programme informatique qui se charge de recréer la physique d’un système (ici la gravitation d’objets) et de permettre de créer des sortes d’expériences virtuelles. En changeant les propriétés de la simulation, ou la physique, on peut ainsi essayer de comprendre ce qui se passe dans le monde réel.

  1. Une masse centrale (le soleil et les planètes jusqu’à Neptune)
  2. Des objets correspondant aux trans-neptuniens (une quarantaine dans la simulation en question)
  3. Une planète correspondant à l’objet perturbateur.

Les trans-neptuniens sont distribués de manière aléatoire au départ, de manière à voir si leur orbite se modifie à cause du perturbateur. Si, après un temps assez long, les orbites des trans-neptuniens correspondent aux observations faites par Trujillo et Shepard, alors l’objet perturbateur permet d’expliquer les observations. Cela ne veut pas dire que c’est ce qui se passe en réalité, mais juste que, compte tenu des hypothèses de l’expérience, la potentielle planète peut expliquer les observations. Évidemment vous avez lu les grands journaux et donc vous savez déjà le résultat de l’expérience numérique : en effet,  la simulation tombe en accord avec la réalité !

Vue d'artiste de la nouvelle planète découverte au delà de Pluton

Vue d’artiste de la planète Nine. Il ne s’agit en aucun cas d’une photo mais juste d’une image qui claque, parce qu’il y’a pas de raison, on aime aussi les images qui claquent en astrophysique. (Source : CalTech/R. Hurt (IPAC))

Et maintenant quoi ?

Excellente question. Maintenant il reste encore énormément de travail pour les scientifiques. D’abord s’assurer qu’effectivement, le scénario d’une planète puisse tenir la route. Ensuite trouver les propriétés exactes de cette planète. Ce que j’ai volontairement omis de dire auparavant c’est que l’interaction de cette planète sur les objets de la ceinture de Kuiper dépend de son orbite, mais aussi d’un autre paramètre important : sa masse. Ce qui fait sept paramètres à définir précisément. Évidemment ces paramètres sont dépendants. On ne peut donc pas les connaître précisément. On connaît des ordres de grandeur. Par exemple, on sait que la masse de la planète doit être de l’ordre d’une géante (Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune) pour produire l’effet observé. Mais on ne sait pas s’il s’agit par exemple d’une géante gazeuse comme Jupiter, ou d’une géante de glace comme Uranus.

Notre capacité à déterminer ces paramètres nous permettront dans un avenir proche de potentiellement observer cette planète. En attendant, les télescopes ont déjà commencé la recherche. Mais n’oubliez pas la morale : il ne s’agit encore une fois pour l’instant que d’une spéculation. Et même si l’explication est belle et marche bien, il se pourrait que la réalité soit autre ! Que cela ne vous empêche tout de même pas d’y croire !

[1]https://fr.wikipedia.org/wiki/D%C3%A9signation_provisoire

[2]http://web.gps.caltech.edu/~mbrown/howikilled.html

[3]http://arxiv.org/abs/1601.05438

[4]https://en.wikipedia.org/wiki/Orbital_elements

[5]L’argument du périhélie. Ce détail n’est pas important pour la compréhension de la suite.

Maxime Delorme
Informaticien, aspirant astrophysicien, promoteur de vulgarisation scientifique et mélomane, je travaille dans une université Anglaise aux côtés d'astrophysiciens sur la formation des galaxies et des amas stellaires. Le reste du temps, j'aide à l'organisation des soirées Physique pour Pint of Science Paris, un festival de vulgarisation scientifique où l'on boit des bières en écoutant des chercheurs parler de Sciences.

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