Sur cette image traitée, basée sur des observations effectuées au mois de juillet 2017, figurent les deux lunes de l'astéroïde Kleopatra (l'objet blanc central), AlexHelios et CleoSelene, qui apparaissent tels deux petits points blancs dans les angles supérieur droit et inférieur gauche de l'image. Les lunes de Kleopatra sont difficiles à observer sur les images brutes – acquises au moyen de l’instrument Sphere (Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet Research) installé sur le VLT de l'ESO – en raison de l'éblouissement autour de l'astéroïde, inhérent à ce type d'observations par optique adaptative. L’obtention de cette vue a nécessité le traitement des images de Kleopatra afin de supprimer les reflets et de révéler la présence des lunes. © ESO/Vernazza, Marchis et al./Mistral algorithm (Onera/CNRS)
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Kleopatra, un astéroïde triple en forme d'os pour chien détaillé par un télescope géant

ActualitéClassé sous :Astronomie , astéroïde , astéroïdes binaires

Grâce au Very Large Telescope de l'Observatoire européen austral (VLT de l'ESO) et surtout de l'instrument Sphere l'équipant, des astronomes ont acquis les images les plus détaillées à ce jour de l'astéroïde triple (216) Cléopâtre, aussi nommé Kleopatra. Ces observations ont permis de contraindre sa forme tridimensionnelle semblable à un os pour chien. En bonus, elles fournissent des informations pour comprendre la genèse de cet astéroïde doté de deux lunes.

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[EN VIDÉO] Interview : la Terre menacée par des astéroïdes ?  Depuis quelques années les scientifiques étudient la menace possible des géocroiseurs pour notre Planète. À l’image du scénario de l’extinction des dinosaures, ces astéroïdes sont-ils une menace pour la vie sur Terre ? Futura-Sciences a interviewé Jean-Pierre Luminet, astrophysicien de renom, afin d’en savoir plus. 

Les astéroïdes et les comètes fascinent. On sait que certains de ces objets gardent en mémoire les premiers moments de la formation du Système solaire et qu'ils peuvent servir à en contraindre les modèles cosmogoniques. Ils sont aussi à l'origine d'au moins une grande crise biologique sur Terre, celle qui a vu la disparition des dinosaures et c'est pourquoi on cherche aujourd'hui à détecter les astéroïdes géocroiseurs et en particulier les quelque 4.700 d'entre eux potentiellement dangereux, appelés des PHA (Potentially Hazardous Asteroids).

Une autre raison de s'intéresser aux géocroiseurs et que certains d'entre eux, riches en métaux ou en eau, sont des cibles toutes trouvées pour l'exploitation future des astéroïdes. On peut penser qu'elle est inévitable avec l'épuisement des ressources de certains métaux sur Terre et elle pourrait commencer au cours du XXIe siècle, et contribuer à faire des colonies spatiales de Gerard O’Neill autre chose qu'un rêve à l'horizon de sa fin. 

Parmi les chercheurs qui étudient les astéroïdes, il en est un qui est bien connu des lecteurs de Futura : l'astronome français Franck Marchis.  Membre de l'Institut Seti à Mountain View (Californie), spécialiste également des volcans sur Io et très impliqué dans l'imagerie directe d'exoplanètes, c'est aussi un des membres de la start-up française appelée Unistellar à l'origine d'un nouveau type de télescope à destination du grand public. Nous avions consacré un article tout récemment à la dernière version de cet instrument baptisé eQuinox.

Franck Marchis présente l'eVscope dans cette vidéo, expliquant qu'un jour un des utilisateurs prenant part à l'étude des astéroïdes géocroiseurs pourrait sauver l'Humanité. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Unistellar

(216) Cléopâtre, un astéroïde triple

Or, en 2008, en utilisant la technique d'optique adaptative disponible avec le Keck Observatory, Franck Marchis et ses collègues Pascal Descamps, Jérôme Berthier et Joshua P. Emery avaient fait la découverte de deux petites lunes autour de l'astéroïde (216) Cléopâtre dont la désignation internationale est (216) Kleopatra. En orbite autour du corps céleste, elles ont été nommées en 2011 Alexhélios et Cléoséléné, d'après les deux enfants que Cléopâtre a eu avec Marc Antoine, Alexandre Hélios et Cléopâtre Séléné II.

Kleopatra revient aujourd'hui sur le devant de la scène avec un communiqué de l'ESO qu'accompagnent deux publications que l'on peut trouver en accès libre sur arXiv. Dans celui-ci, Franck Marchis, qui est également associé au Laboratoire d'astrophysique de Marseille (France) et qui a dirigé l'étude sur cet astéroïde publié dans la revue Astronomy & Astrophysics, explique que « Kleopatra est un corps véritablement unique dans notre Système solaire. L'étude de cas particuliers tel celui de Kleopatra permet à la science de progresser. En outre, la compréhension de ce système complexe et multiple d'astéroïdes peut aider à une meilleure connaissance de notre Système solaire ».

Kleopatra avait déjà attiré l'attention au XXe siècle lorsque les premières observations avec le télescope de 3,6 mètres de l'ESO à La Silla avaient montré deux lobes, lobes que des observations radar menées avec le radiotélescope d'Arecibo montraient qu'ils étaient liés et donnaient à l'astéroïde une étonnante forme d'os pour chien. Une forme que n'imaginait sans doute pas l'astronome autrichien Johann Palisa à l'observatoire naval autrichien de Pola, dans l'actuelle Pula, en Croatie, lorsqu'il a fait la découverte de (216) Cléopâtre le 10 avril 1880.

Ces onze images figurent l’astéroïde Kleopatra, observé sous divers angles au fil de sa rotation qui dure moins de six heures. Les clichés ont été pris à différentes époques comprises entre 2017 et 2019 au moyen de l’instrument Sphere (Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet REsearch) qui équipe le VLT de l’ESO. © ESO/Vernazza, Marchis et al./Mistral algorithm (Onera/CNRS)

Un astéroïde métallique mais « poreux »

Kleopatra orbite autour du Soleil à l'intérieur de la fameuse ceinture d'astéroïdes située entre Mars et Jupiter. Sa taille est très loin d'être négligeable et on pouvait trouver des estimations le concernant lui attribuant comme dimensions 217 × 94 × 81 km. C'est pour mieux le connaître que Marchis et son équipe ont utilisé des clichés de l'astéroïde acquis par l'instrument Sphere (Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet REsearch) sur le VLT de l'ESO, à l'occasion de différentes campagnes d'observations entre 2017 et 2019.

Ces observations ont confirmé que l'astéroïde tournait sur lui-même mais qu'il avait une longueur d'environ 270 kilomètres. La meilleure détermination des orbites de ses lunes a conduit à une connaissance plus précise de sa masse qui est plus légère que celle qu'on lui attribuait auparavant. Si les propriétés de réflectivité de la surface de Kleopatra en ce qui concerne les ondes radio pointent vers un contenu important en métal, il n'en reste pas moins que la densité calculée aujourd'hui est inférieure de 35 % aux estimations précédentes : 3,4 grammes par centimètre cube, soit une densité moyenne inférieure de plus de moitié à celle du fer. Auparavant, la densité de Kleopatra était estimée à 4,5 grammes par centimètre cube.

Cette estimation et l'albédo de Kleopatra laissent donc penser que l'astéroïde est un agrégat lâche avec des vides d'un matériau métallique, ce qui peut s'expliquer par une collision passée ayant mis en pièces les corps célestes impliqués, les débris s'étant ensuite rassemblés sous l'influence de leur gravitation.

La connaissance plus précise des orbites des deux lunes de Kleopatra provient du travail de l'équipe menée par Miroslav Brož de l'université Charles de Prague en République tchèque, et qui a donné lieu également à une publication dans Astronomy & Astrophysics.

Cette image offre une comparaison entre les dimensions de l’astéroïde Kleopatra et celles du nord de l’Italie. Dans la moitié supérieure de l’image figure un modèle numérique de Kleopatra, un astéroïde qui arbore la forme d’un « os pour chien » et orbite autour du Soleil depuis la ceinture d’astéroïdes située entre Mars et Jupiter. Ses deux extrémités sont distantes de 270 kilomètres. Dans la moitié inférieure de l’image figurent une vue aérienne du nord de l’Italie et la projection au sol des dimensions de l’astéroïde. © ESO/M. Kornmesser/Marchis et al.

(216) Cléopâtre au bord de la rupture ?

La nouvelle détermination de la structure de Kleopatra permet un rapprochement avec un scénario déjà proposé pour expliquer l'origine des astéroïdes binaires, scénario déjà exposé dans le précédent article ci-dessous. Kleopatra est en rotation sur lui-même en seulement 5,3 heures, ce qui veut dire d'après sa taille qu'il est proche de la rotation limite provoquant sa rupture sous l'effet de la force centrifuge avec sa structure lâche. On peut donc penser que les deux lunes sont des blocs ou des assemblages de bloc éjectés par la rotation de Kleopatra.

En ce qui concerne l'avenir des études pour cet astéroïde triple, on disposera bientôt d'un bond considérable dans la résolution des observations dans le visible sur Terre avec la mise en service de l'Extremely Large Telescope (ELT) de l'ESO, lui aussi capable de faire de l'optique adaptative. Un des premiers à comprendre le potentiel de cette technique d'observation, Franck Marchis, ne s'y trompe certainement pas en ce qui concerne le potentiel des découvertes bientôt possible avec ce géant en construction : « J'ai hâte de pointer l'ELT en direction de Kleopatra, de voir s'il est entouré d'autres lunes et d'affiner leurs orbites respectives afin de détecter d'infimes changements. ».

Une présentation de Sphere (Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet REsearch) qui équipe le VLT et permet en particulier de chasser des exoplanètes. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © European Southern Observatory (ESO)

Pour en savoir plus

Formation des astéroïdes binaires : une explication lumineuse

Parmi les géocroiseurs, comme dans la Ceinture principale entre Mars et Jupiter, 15 % des astéroïdes sont composés de deux corps en gravitation l'un autour de l'autre. Selon une série de simulations numériques effectuées par des chercheurs de l'Observatoire de la Côte d'Azur et de l'université de Maryland, ces couples se formeraient à cause d'un effet lié à la lumière du Soleil : l'effet Yorp. C'est peut-être de cette façon aussi qu'est née la comète binaire 288P qui vient de défrayer la chronique en cette fin septembre 2017.

Article de Laurent Sacco, publié le 16/07/2008

Ida et sa Lune Dactyl. © Nasa

Le 28 août 1993, la sonde Galileo découvrit que 243 Ida, un astéroïde de la Ceinture principale de 56 km de long, observé une premier fois par l'astronome autrichien Johann Palisa le 29 septembre 1884, possédait une petite lune, nommée S/1993 (243) 1 Dactyl (voir la figure 3). Ce compagnon ne mesure que 1,4 km de diamètre. Ce premier cas d'astéroïdes binaire fut suivi de bien d'autres et, à chaque fois, la taille de l'un des membres de la binaire est largement plus importante que celle de l'autre.

Une explication avait été proposée il y a quelques années et elle vient d'acquérir beaucoup plus de poids grâce à des simulations numériques dont les résultats sont exposés dans un article de Nature. L'un des auteurs de l'article est un des chercheurs bien connu de l'Observatoire de la Côte d'Azur : Patrick Michel.

Aussi incroyable que cela paraisse, c'est la lumière du Soleil qui serait responsable de la formation des astéroïdes binaires. La lumière chauffe les corps qu'elle atteint, voilà une observation banale, mais, fait moins connu, elle exerce aussi une certaine pression, comme le ferait un flux de particules. En chauffant la surface d'un astéroïde, les différences de températures entre la partie éclairée et celle dans l'ombre induisent une différence entre les forces qu'exercent le flux de photons ré-émis par les différentes régions de la surface de l'astéroïde.

Au final, un couple apparaît capable d'entraîner la rotation d'un petit corps céleste sur lui-même. C'est le fameux effet Yorp (Yarkovsky-O'Keefe-Radzievskii-Paddack, du nom des scientifiques l'ayant décrit). Les astronomes l'ont identifié sur deux astéroïdes.

Dans le cadre de la théorie de l'accrétion, les planétésimaux du système solaire se forment par une sorte d'effet boule de neige et il est alors naturel de soupçonner que beaucoup d'astéroïdes sont en fait des agrégats de corps plus petits, faiblement solidarisés entre eux. Dans cette hypothèse, une rotation suffisamment rapide sur lui-même d'un astéroïde serait susceptible d'entraîner sa fragmentation et c'est donc cette idée que les chercheurs viennent de tester numériquement sur ordinateur.

Figure 1. Simulation numérique du processus : initialement, l'astéroïde est un agrégat constitué de roches liées par la gravitation. Quand la rotation de l'astéroïde accélère par effet YORP, les roches situées à l'équateur peuvent s'échapper et celles des pôles descendre vers l'équateur ou même s'échapper. Parmi les roches qui s'échappent, sous certaines conditions, quelques-unes se réaccumulent autour de l'astéroïde et forment ainsi un satellite. © OCA/INSU

Des astéroïdes binaires poreux

Les simulations ont mise en évidence plusieurs phénomènes. Lorsqu'un agrégat modélisant un astéroïde, composé de sphères liées par gravité, se met à tourner de plus en plus vite, certaines d'entre elles descendent du pôle vers l'équateur et l'astéroïde perd de ces morceaux depuis son équateur, là où la force centrifuge est la plus élevée (voir la figure 1).

Les sphères qui s'échappent se rassemblent progressivement un peu plus loin, finissant par former une petite lune en orbite autour du corps parent. Celui-ci, du fait de l'aplatissement de ses pôles, contrebalancé par l'échappement de matière au niveau de l'équateur, aura une forme approximativement sphérique.

Dans la réalité, les blocs rocheux s'échappant, si ils sont constitués de matériaux suffisamment poreux, pourront se ré-assembler d'une manière stable. Les prédictions de ces simulations numériques aboutissent à un astéroïde double, composé d'un primaire assez sphérique, et d'un secondaire dont la taille par rapport à celle du primaire n'est pas arbitraire ni même la distance les séparant. Ce résultat est bien conforme aux observations, comme une comparaison avec l'image radar du binaire 1999 KW4 le montre clairement (voir la figure 2).

Figure 2. Image radar d'un astéroïde binaire réel 1999 KW4. La forme du primaire produit par la simulation est en parfait accord avec l'observation, ainsi que la taille du secondaire. À la fin de la simulation la séparation entre les deux objets sera similaire à celle de 1999KW4. © Insu-Ostro et al./Nasa

Si les chercheurs ont raison, il en découle que les objets binaires sont préférentiellement issus d'un agrégat et non d'un monolithe, ce qui est en accord avec l'idée que ces astéroïdes sont poreux.

Cette conclusion a évidemment des implications fortes dans la définition des stratégies de défense pour faire face au risque d'impact avec notre planète. Le fait que ces corps peuvent se fragmenter facilement et absorber une partie du choc différemment d'un corps compact impose en effet de sérieuses contraintes, qu'il s'agisse d'envoyer un projectile ou en fixant des moteurs.

Une autre conséquence de cette hypothèse est qu'elle implique la présence en surface de matière provenant initialement de l'intérieur de l'astéroïde et peu altérée par l’érosion spatiale. Les astéroïdes binaires seraient donc des cibles de choix pour récolter des échantillons comme se propose de le faire la mission Marco Polo de l'Esa.

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