Illustration de Pluton tirée des clichés de la sonde New Horizons. © 24K-Production, Adobe Stock
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L'orbite chaotique de Pluton intrigue

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Découverte en 1930, la planète naine ne cesse d'intéresser les scientifiques, notamment pour son orbite : elle est inclinée par rapport à celle des autres planètes du Système solaire, et semble sujette à des perturbations chaotiques sur de courtes échelles de temps...

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[EN VIDÉO] L'extraordinaire balade sur Pluton  Embarquez pour un survol de Pluton et de son satellite Charon. Grâce au survol historique de la sonde New Horizons en juillet 2015, les astronomes ont pu découvrir le vrai visage de cette planète naine située aux confins du Système solaire, au-delà de Neptune. Bien que glacial, ce monde arbore une extraordinaire diversité géologique et aussi un grand cœur, théâtre d’une activité insoupçonnée. Découvrez ses paysages faits de glaces visqueuses et dures, ses montagnes et ses plaines, ses couleurs et ses matières. 

Depuis sa découverte, la neuvième planète du Système solaire a été largement étudiée, et a été sujette à une controverse de dénomination (Pluton a depuis été classée dans les planètes naines). Lors de son survol par la sonde New Horizons, 85 ans après sa détection, les scientifiques ont découvert un monde distant entièrement gelé, mais étant tout de même aux prises d'activités géologiques. 

Une orbite étrangement différente de ses voisines

Mais c'est probablement son orbite qui intrigue le plus les astronomes et les planétologues : avec ses 248 années terrestres de révolution, Pluton est située à une distance d'environ 40 ua du Soleil -- soit près de 6 milliards de kilomètres. Mais son orbite étant fortement excentrique, cette distance varie le long de son parcours autour du Soleil, éloignant Pluton de notre Étoile jusqu'à près de 50 ua à son aphélie (point de l'orbite le plus éloigné du centre), et la rapprochant de notre Soleil jusqu'à près de 30 ua à son périhélie -- pour chaque période orbitale, Pluton passe ainsi une vingtaine d'années à orbiter plus proche du Soleil que Neptune ! 

Autre caractéristique étonnante : à l'inverse des autres planètes de notre Système solaire, qui présentent généralement des orbites très faiblement inclinées par rapport au plan écliptique (plan qui définit, d'un point de vue héliocentrique, le plan de l'orbite terrestre), Pluton présente une orbite inclinée de 17° par rapport aux orbites de ses voisines. 

Représentation des orbites des principaux corps du Système solaire. L'orbite de Pluton est inclinée de 17° par rapport au plan écliptique. © Nasa

Pour tenter de comprendre les différents processus ayant amené l'orbite de Pluton à se différencier de ses voisines, les scientifiques ont développé divers modèles afin de simuler le passé et le futur de l'orbite de la planète naine, mettant au passage en lumière une propriété étonnante protégeant Pluton d'une éventuelle collision avec Neptune : cette condition de résonance orbitale -- connue comme la résonance de moyen mouvement -- permet aux deux planètes de se situer à près de 90° de longitude céleste l'une de l'autre lorsqu'elles sont à une même distance héliocentrique.

De plus, le point qu'atteint Pluton à son périhélie se situe bien au-dessus du plan orbital de Neptune, faisant apparaitre ici un nouveau type de résonance orbitale connue sous le nom d'oscillation vZLK, en référence aux trois scientifiques ayant étudié le phénomène en tentant de résoudre le « problème des trois corps », visant à déterminer les mouvements relatifs de trois corps les uns par rapport aux autres à partir des lois de mouvement de Newton

De nouvelles études réalisées à la fin du XXe siècle indiqueraient que l'orbite de Pluton serait chaotique -- des variations minimes dans les conditions orbitales initiales pourraient causer des divergences orbitales exponentielles en quelques dizaines de millions d'années. Mais ce chaos semblerait limité : les simulations numériques de l'orbite de Pluton tendent à montrer que les deux propriétés orbitales de Pluton précédemment mentionnées (la résonance de moyen mouvement, et l'oscillation vZLK) persisteraient sur des échelles de temps allant jusqu'aux milliards d'années, faisant de l'orbite de Pluton une orbite stable sur de grandes échelles de temps. 

Considérer tout le Système solaire pour résoudre l'orbite de Pluton ? 

Mais les scientifiques ne parviennent toujours pas à comprendre les origines des surprenantes caractéristiques orbitales de Pluton (ainsi que celles des Plutinos, objets transneptuniens partageant des caractéristiques orbitales similaires à celles de Pluton). Plusieurs hypothèses ont pourtant vu le jour, à l'instar de la théorie de la migration planétaire, aujourd'hui communément acceptée, selon laquelle Pluton aurait été entrainée dans sa résonance actuelle de moyen mouvement par Neptune, lors de migration au début de l'histoire du Système solaire vers ses régions externes. Si cette théorie est valide, d'autres objets transneptuniens seraient susceptibles de partager cette même condition de résonance, ce qui a depuis été vérifié grâce à la découverte d'un grand nombre de Plutinos. Mais toujours pas d'éléments de réponse pour expliquer la forte inclinaison de l'orbite de Pluton ! 

Comparaison entre les huit plus gros objets transneptuniens (TNOs) avec la Terre (tous les corps sont à l'échelle). © Nasa, Lexicon

Une équipe de chercheurs américano-japonaise a alors choisi d'intégrer les effets des autres planètes géantes de notre Système solaire (Jupiter, Saturne et Uranus) dans une nouvelle étude, afin d'identifier leurs éventuels impacts sur l'orbite de Pluton. Grâce à un modèle numérique simulant le futur de l'orbite de la planète naine sur plus de cinq milliards d'années et incluant huit combinaisons différentes de perturbations par les planètes géantes, les scientifiques sont parvenus à déterminer que les perturbations conjuguées générées par les trois planètes géantes -- Jupiter, Saturne et Uranus -- étaient nécessaires pour recréer l'oscillation vZLK de Pluton, l'arrangement des masses et des orbites des planètes géantes définissant une gamme étroite dans laquelle une telle oscillation serait possible.

Ainsi, l'inclinaison orbitale de Pluton aurait pris naissance au cours de cette dynamique migratoire

D'après les scientifiques, de tels résultats indiqueraient que les conditions orbitales des objets transneptuniens auraient été largement perturbées lors la période de migrations planétaires au début de l'histoire du Système solaire, permettant à une bonne partie d'entre eux -- dont Pluton -- d'être amenés à cet état d'oscillation vZLK. Ainsi, l'inclinaison orbitale de Pluton aurait pris naissance au cours de cette dynamique migratoire, mais les scientifiques ne parviennent pas à établir précisément les mécanismes à l'origine de telles particularités orbitales. 

Cette découverte, montrant l'impact des orbites des planètes géantes sur les conditions orbitales des objets transneptuniens, pourrait motiver de plus amples études sur l'histoire migratoire des planètes géantes, et pourrait mener dans un futur proche à la découverte d'un nouveau mécanisme dynamique pouvant expliquer les origines de l'inclinaison orbitale de certains objets transneptuniens. 

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