Objets en résonance avec Neptune

objet astronomique transneptunien

De nombreux objets ont des orbites en résonance avec celle de la planète Neptune (résonance de moyen mouvement). De façon plus explicite, la période de révolution de ces corps est dans un rapport simple avec celle de Neptune : 1:1, 1:2, 2:3, 3:5, etc. En dehors des troyens de Neptune (objets en résonance 1:1), les autres objets sont tous des objets transneptuniens (OTN). Les OTN en résonance avec Neptune font partie de la population principale de la ceinture de Kuiper ou des objets épars plus lointains[1].

RépartitionModifier

 
Répartition des objets transneptuniens, ceux qui sont en résonance sont en rouge.

Le schéma illustre la distribution des objets transneptuniens connus (jusqu'à 70 UA) en relation avec les orbites des planètes ainsi que des centaures pour référence. Les objets en résonance sont représentés en rouge. Les résonances avec Neptune sont indiquées par des traits verticaux; 1:1 marque la position de l'orbite de Neptune (et des troyens), 2:3 l'orbite de Pluton et des plutinos, 1:2, 2:5, etc. indique de petites familles.

Certains auteurs s'en tiennent à la désignation 2:3 alors que d'autres préfèrent 3:2. Cela pourrait porter à confusion, mais les OTN, par définition, ont des périodes supérieures à celle de Neptune. La déclaration Pluton est en résonance 2:3 avec Neptune ne peut donc qu'être interprétée comme Pluton parcourt deux orbites dans le même temps que Neptune en parcourt trois. À l'inverse, dire que Pluton est en résonance 3:2 avec Neptune doit alors être compris comme la période de révolution de Pluton est 3:2 (1,5) fois celle de Neptune.

RemarqueModifier

On appelle ordre d'une résonance la différence entre les deux nombres composant le rapport irréductible de la résonance. Ainsi, les résonances 1:2 et 2:3 sont d'ordre 1, la résonance 3:5 est d'ordre 2 et la résonance 5:12 est d'ordre 7. Plus l'ordre d'une résonance est forte, moins Neptune a une influence importante sur les objets situés sur cette résonance. C'est ainsi qu'on assiste à la contradiction suivante, certains objets détachés pourraient avoir une résonance faible avec Neptune.

OrigineModifier

Des études analytiques et numériques détaillées des résonances avec Neptune ont montré que les marges sont assez étroites (c'est-à-dire que les objets doivent avoir précisément une certaine valeur énergétique[2])[3]. Si le demi-grand axe de ces objets est en dehors de ces fourchettes, l'orbite devient chaotique et les éléments orbitaux deviennent instables.

Plus de 10 % des OTN ont une résonance 2:3, ce qui est loin d'être aléatoire. On croit maintenant que les objets ont été recueillis sur des distances plus grandes pendant la migration de Neptune.

Bien avant la découverte des premiers OTN, il était suggéré que l'interaction entre les planètes géantes et un disque de petites particules serait, par transfert du moment, les ferait migrer vers l'intérieur tandis que Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune en particulier migreraient vers l'extérieur. Au cours de cette période relativement courte, Neptune aurait piégé des objets sur des orbites en résonance.

Population connueModifier

Les groupes de résonance sont ici listés par ordre de distance croissante au Soleil. Dans les titres, a désigne le demi-grand axe et P la période orbitale. Pour rappel : 1 ua (unité astronomique) = 149 597 870 700 m ~ 149,6 millions de kilomètres ~ 8,3 minutes-lumière.

Objets en résonance 1:1 : les troyens de Neptune (a ~ 30,1 ua ; P ~ 165 ans)Modifier

Objets en résonance 4:5 (a ~ 34,9 ua ; P ~ 206 ans)Modifier

Objets en résonance 3:4 (a ~ 36,5 ua ; P ~ 220 ans)Modifier

Objets en résonance 2:3 : les plutinos (a ~ 39,4 ua ; P ~ 247 ans)Modifier

 
L'orbite d'Orcus dans un référentiel en rotation avec une période égale à celle de l'orbite de Neptune qui est représenté en blanc, stationnaire à 315°.

Ce sont de loin les plus nombreux. En 2015, 132 sont dénombrés avec plus de 120 candidats[4].

Objets en résonance 3:5 (a ~ 42,3 ua ; P ~ 275 ans)Modifier

Objets en résonance 7:12 (a ~ 43,0 ua ; P ~ 283 ans)Modifier

Objets en résonance 4:7 (a ~ 43,7 ua ; P ~ 289 ans)Modifier

Objets en résonance 5:9 (a ~ 44,5 ua ; P ~ 297 ans)Modifier

Objets en résonance 6:11 (a ~ 43,8 ua ; P ~ 302 ans)Modifier

Objets en résonance 1:2 : les twotinos (a ~ 47,8 ua ; P ~ 330 ans)Modifier

Ils ont souvent été considérés comme définissant le bord extérieur de la ceinture de Kuiper.

Quelques twotinos :

Objets en résonance 10:21 (a ~ 49,3 ua ; P ~ 346 ans)Modifier

Objets en résonance 6:13 (a ~ 50,4 ua ; P ~ 358 ans)Modifier

Objets en résonance 4:9 (a ~ 51,7 ua ; P ~ 371 ans)Modifier

Objets en résonance 3:7 (a ~ 53,0 ua ; P ~ 385 ans)Modifier

Objets en résonance 5:12 (a ~ 54,0 ua ; P ~ 395 ans)Modifier

Des confirmations sont encore nécessaires.

Objets en résonance 2:5 (a ~ 55,4 ua ; P ~ 412 ans)Modifier

Objets en résonance 3:8 (a ~ 57,9 ua ; P ~ 440 ans)Modifier

Objets en résonance 4:11 (a ~ 59,8 ua ; P ~ 460 ans)Modifier

Objets en résonance 1:3 : les threetinos (a ~ 62,6 ua ; P ~ 495 ans)Modifier

Objets en résonance 5:16 (a ~ 65,4 ua ; P ~ 529 ans)Modifier

Objets en résonance 4:13 (a ~ 66,0 ua ; P ~ 536 ans)Modifier

Objets en résonance 3:10 (a ~ 67,2 ua ; P ~ 549 ans)Modifier

Objets en résonance 5:17 (a ~ 67,6 ua ; P ~ 560 ans)Modifier

Objets en résonance 2:7 (a ~ 69,4 ua ; P ~ 580 ans)Modifier

Objets en résonance 1:4 : les fourtinos (a ~ 75,8 ua ; P ~ 660 ans)Modifier

Objets en résonance 5:21 (a ~ 79,3 ua ; P ~ 705 ans)Modifier

Objets en résonance 8:35 (a ~ 80,4 ua ; P ~ 721 ans)Modifier

Objets en résonance 2:9 (a ~ 82,2 ua ; P ~ 742 ans)Modifier

Objets en résonance 1:5 (a ~ 90,0 ua ; P ~ 820 ans)Modifier

Objets en résonance 3:16 (a ~ 91,9 ua ; P ~ 881 ans)Modifier

Objets en résonance 1:9 (a ~ 164,4 ua ; P ~ 1484 ans)Modifier

Coïncidences ou véritable résonanceModifier

Les résonances faibles (c'est-à-dire d'ordre élevé) peuvent exister et sont difficiles à prouver en raison de l'absence actuelle de précision dans les orbites de ces objets éloignés. De nombreux objets ont des périodes orbitales de plus de 300 ans et n'ont été observés que sur un arc d'observation court ; en raison de leur grande distance et du mouvement lent par rapport aux étoiles d'arrière-plan, il faudra peut-être plusieurs décennies pour que la plupart de ces orbites lointaines soient déterminées assez précisément pour confirmer la résonance ou établir qu'il s'agit d'une coïncidence.

Des simulations de Emel'yanenko et de Kiseleva en 2007 montrent que (131696) 2001 XT254 est en résonance 7:3 avec Neptune. Cette situation pourrait être stable de 100 millions à plusieurs milliards d'années[5].

Emel’yanenko et Kiseleva ont aussi montré que (48639) 1995 TL8 a moins de 1 % de probabilité d'être en résonance 7:3 avec Neptune, mais son orbite est pourtant proche d'une résonance.

Les cubewanos sont par définition non liés, parce que trop éloignés de Neptune; pourtant certains d'entre eux ont une résonance faible, par exemple (79360) Sila.

 
2001 XT254 a une orbite en résonance 7:3 avec Neptune.
 
1995 TL8 n'est pas en résonance 7:3 avec Neptune.

Vers une définitionModifier

Les définitions précises des classes d'OTN ne sont pas universellement acceptées, les limites sont souvent floues et la notion de résonance n'est pas précisément définie. Le Deep Ecliptic Survey introduit des classes dynamiques définies sur la base de l'intégration à long terme des orbites façonnées par les perturbations combinées des quatre planètes géantes.

En général, la résonance est de la forme:

 

où p et q sont de petits entiers, λ et λN sont respectivement les longitudes moyennes de l'objet et de Neptune, mais peuvent aussi représenter la longitude du périhélie et les longitudes des nœuds (voir Résonance orbitale pour des exemples élémentaires)

Un objet est résonant si pour certains petits entiers (notés ci-après p, q, n, m, r et s) , l'argument (angle) défini ci-dessous est en libration'(c'est-à-dire lié[pas clair][6])

 

  sont les longitudes de périhélie et   sont les longitudes des nœuds ascendants, pour Neptune (avec les indices "N") et l'objet en résonance (pas d'indices).

Le terme libration désigne ici l'oscillation périodique de l'angle autour de certaines valeurs ; il est opposé au terme circulation où l'angle peut prendre toutes les valeurs de 0 à 360 degrés. Par exemple, dans le cas de Pluton, l'angle de résonance   est d'environ 180 degrés avec une amplitude de l'ordre de 82 degrés, c'est-à-dire que l'angle varie périodiquement de 98 (180-82) à 262 (180+82) degrés.

Tous les plutinos découverts avec la Deep Ecliptic Survey se sont révélés être du type

 

ce qui est similaire à la résonance moyenne de Pluton.

Plus généralement, cette résonance 2:3 est un exemple de résonances p:(p+1) (exemple 1:2, 2:3, 3:4, etc.) qui se sont révélées être des orbites stables. Leur angle de résonance est :

 

Dans ce cas, on peut comprendre l'importance de l'angle de résonance   en notant que, lorsque l'objet est au périhélie, c'est-à-dire quand  , on a alors :

 .

Autrement dit,   donne une mesure de la distance entre le périhélie de l'objet à Neptune. L'objet est protégé de la perturbation en gardant son périhélie loin de Neptune à condition que  , ait une libration d'un angle très différent de 0°

Méthode de classificationModifier

RéférencesModifier

  1. (en) J. Hahn, R. Malhotra, « Neptune's migration into a stirred-up Kuiper Belt », The Astronomical Journal, no 130, novembre 2005, p. 2392-2414. Texte complet sur arXiv.
  2. (en) Renu Malhotra, « The Phase Space Structure Near Neptune Resonances in the Kuiper Belt », The Astronomical Journal, vol. 111, p. 504.
  3. (en) E. I. Chiang, A. B. Jordan, « On the Plutinos and Twotinos of the Kuiper Belt », The Astronomical Journal, no 124, 2002, p. 3430–3444.
  4. http://www.johnstonsarchive.net/astro/tnos.html
  5. (en) V. V. Emel’yanenko, E. L. Kiseleva, « Resonant motion of trans-Neptunian objects in high-eccentricity orbits », Astronomy Letters, vol. 34, no 4, 2008, p. 271–279. Bibcode:2008AstL
  6. (en) J. L. Elliot, S. D. Kern, K. B. Clancy, A. A. S. Gulbis, R. L. Millis, M. W. Buie, L. H. Wasserman, E. I. Chiang, A. B. Jordan, D. E. Trilling, et K. J. Meech, « The Deep Ecliptic Survey: A Search for Kuiper Belt Objects and Centaurs. II. Dynamical Classification, the Kuiper Belt Plane, and the Core Population », The Astronomical Journal, vol. 129, 2006, p. preprint.

Articles connexesModifier