Système solaire

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Système solaire
Image illustrative de l’article Système solaire
Planètes et planètes naines déclarées du Système solaire. Les dimensions des objets sont à l'échelle. Les distances au Soleil, elles, ne le sont pas.
Caractéristiques générales
Âge 4,568 Ga
Localisation Nuage interstellaire local, Bulle locale, Bras d'Orion, Voie lactée
Masse du système 1,991 9 × 1030 kg
(1,001 4 M☉)
Étoile la plus proche Proxima Centauri (4,22 al), dans le système Alpha Centauri (4,37 al)
Système planétaire le plus proche Système de Proxima Centauri (4,22 al), dans le système Alpha Centauri (4,37 al)
Système
Demi-grand axe de la planète la plus externe
(Neptune) 		4,503 × 109 km
(30,10 ua)
Étoiles 1 : le Soleil
Planètes 8 : Mercure, Vénus, la Terre, Mars, Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune
Planètes naines 5 (UAI) : Cérès, Pluton, Hauméa, Makémaké et Éris ; des centaines de candidats supplémentaires[1]
Nb. de satellites naturels connus près de 600 dont au moins 220 confirmés (173 de planètes[2] [+ > 150 lunes mineures non confirmées], 8 de planètes naines et 247 de petits corps [dont au moins une quarantaine nommés et/ou avec désignation provisoire][3])
Nb. de petits corps répertoriés 636 352 (au )[4]
636 964 (au )[2]
632 567[a] (au )[4]
633 712 dont 385 184 numérotés (au )[2]
3 785 (au )[4]
3 252 dont 364 numérotés (au )[2]
Nb. de satellites ronds identifiés 19
Orbite autour du centre galactique
Inclinaison du plan invariable par rapport au plan galactique 60,19° (écliptique)
Distance du centre galactique (26 673 ± 42stat ± 71sys) al
(8 178 ± 13stat ± 22sys) pc[5]
Vitesse orbitale 220 km/s
Période orbitale 225–250 Ma
Propriétés liées à la (aux) étoile(s)
Type spectral G2V
Distance de la ligne des glaces ≈ 5 ua[6]
Distance de la falaise de Kuiper ≈ 50 ua
Distance du choc terminal ≈ 75 à 90 ua
Distance de l'héliopause ≈ 120 ua
Rayon de la sphère de Hill ≈ 1–2 al
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Montage présentant les composants principaux du Système solaire (échelle non respectée), de gauche à droite : Pluton, Neptune, Uranus, Saturne, Jupiter, la ceinture d'astéroïdes, le Soleil, Mercure, Vénus, la Terre et la Lune, et Mars. Une comète est également représentée sur la gauche.

Le Système solaire (avec majuscule), ou système solaire (sans majuscule)[b], est le système planétaire auquel appartient la Terre. Il est composé d'une étoile, le Soleil, et des objets célestes gravitant autour de lui : les huit planètes confirmées et leurs 185 satellites naturels connus (appelés usuellement des « lunes »), les cinq planètes naines et leurs neuf satellites naturels connus et les milliards de petits corps (la grande majorité des astéroïdes et autres planètes mineures, les comètes, les poussières interplanétaires, etc.). Le système solaire fait partie de la galaxie appelée Voie lactée. Il est situé à environ 8 kpc (∼26 100 al) du centre galactique et effectue une révolution en 225 à 250 millions d'années.

De façon schématique, le Système solaire est composé, outre le Soleil lui-même et par ordre de distance croissante à celui-ci, de quatre planètes telluriques internes (Mercure, Vénus, la Terre et Mars), d'une ceinture d'astéroïdes composée de petits corps rocheux, de quatre planètes géantes externes (deux géantes gazeuses que sont Jupiter et Saturne, et deux planètes géantes de glaces que sont Uranus et Neptune) et de la ceinture de Kuiper, composée elle-même d’objets glacés. L'héliopause, limite magnétique du Système solaire, est définie par l'arrêt des vents solaires face au vent galactique. Bien au-delà se trouve le nuage d'Oort, sphère d’objets épars. La limite gravitationnelle du Système solaire se situe bien plus loin encore, jusqu'à 1 ou 2 années-lumière du Soleil.

Toutes les planètes du Système solaire à partir de la Terre possèdent des satellites en orbite, tandis que chacune des quatre planètes externes est en outre entourée d’un système d'anneaux de poussière et d’autres particules. Toutes les planètes, sauf la Terre, ont été nommées d'après des dieux et déesses de la mythologie romaine.

Les cinq planètes naines, portant des noms de divinités diverses, sont Cérès, le premier et plus grand objet découvert dans la ceinture d’astéroïdes (975 km de diamètre équatorial), Pluton, le plus ancien et le plus grand objet connu de la ceinture de Kuiper (2 370 km), Éris, au diamètre très légèrement inférieur (2 326 km), qui se trouve dans le disque des objets épars, enfin Makémaké (environ 1 430 km) et Hauméa (1 960 km), objets de la ceinture de Kuiper. Les quatre planètes naines transneptuniennes, c'est-à-dire orbitant au-delà de Neptune, sont de type « plutoïdes ».

Terminologie

Planètes et planètes naines du Système solaire. Les dimensions du Soleil et des planètes sont à l’échelle, mais pas leurs distances[c].

Depuis la décision prise le par l'Union astronomique internationale, les objets ou corps orbitant directement autour du Soleil sont officiellement divisés en trois classes : planètes, planètes naines et petits corps.

  • Une planète est un corps en orbite autour du Soleil, suffisamment massif pour avoir une forme sphérique et avoir nettoyé son voisinage immédiat de tous les objets plus petits[7]. On connaît huit planètes[8] : Mercure, Vénus, la Terre, Mars, Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune.
  • Une planète naine est un corps en orbite autour du Soleil qui, bien que suffisamment massif pour avoir une forme sphérique, n’a pas fait place nette dans son voisinage[7]. En septembre 2015, six corps étaient officiellement désignés de la sorte : Cérès, Pluton, Charon, Éris, Makémaké et Hauméa. D’autres corps pourraient l’être dans le futur, tels que Sedna, Orcus ou encore Quaoar.
  • Tous les autres objets en orbite directe autour du Soleil sont classés comme petits corps du Système solaire[9].

Les 175[10] satellites naturels, aussi appelés lunes, sont les objets en orbite autour des planètes, des planètes naines et des petits corps du Système solaire plutôt qu'autour du Soleil. Les statuts ambigus de la Lune et de Charon - à partir de ces définitions - ne sont d'ailleurs pas encore définitivement tranchés, bien que ces corps soient toujours classés comme satellites respectivement de la Terre et de Pluton.

Toutefois, cette décision de l'Union astronomique internationale est loin de faire l'unanimité. À la suite du vote, une pétition[11] ayant réuni en cinq jours les signatures de plus de 300 planétologues et astronomes majoritairement américains (Pluton ayant été la première planète découverte par un Américain) a été lancée pour contester la validité scientifique de la nouvelle définition de planète (qui déclassait Pluton) ainsi que son mode d'adoption, et inviter à la réflexion sur une autre définition plus appropriée[12]. Catherine Cesarsky, présidente de l'UAI, clôt le débat en décidant que l'assemblée de l'UAI d'août 2009 ne reviendrait pas sur la définition de planète[13].

Représentation artistique du Système solaire.

Structure

Généralités

Les huit planètes du Système solaire. De la plus grande à la plus petite : Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune, la Terre, Vénus, Mars et Mercure (dimensions à l’échelle).
Les orbites des principaux corps du Système solaire, à l’échelle.
L’écliptique vu par la mission Clementine, alors que le Soleil était partiellement masqué par la Lune. Trois planètes sont visibles dans la partie gauche de l’image. De gauche à droite : Mercure, Mars et Saturne.

Le principal corps céleste du Système solaire est le Soleil, une étoile naine jaune de la séquence principale de type G2 qui contient 99,86 % de toute la masse connue du Système solaire et le domine gravitationnellement[14]. Jupiter et Saturne, les deux objets les plus massifs orbitant autour du Soleil, regroupent à eux deux plus de 90 % de la masse restante.

La plupart des grands objets en orbite autour du Soleil le sont dans un plan proche de celui de l’orbite terrestre, nommé écliptique. Typiquement, le plan d’orbite des planètes est très proche de celui de l’écliptique tandis que les comètes et les objets de la ceinture de Kuiper ont pour la plupart une orbite qui forme un angle significativement plus grand par rapport à lui.

Toutes les planètes et la plupart des autres objets orbitent dans le même sens que la rotation du Soleil, c’est-à-dire dans le sens inverse des aiguilles d’une montre du point de vue d’un observateur situé au-dessus du pôle nord solaire. Certains objets orbitent dans un sens rétrograde, comme la comète de Halley.

Les trajectoires des objets gravitant autour du Soleil suivent les lois de Kepler. Ce sont approximativement des ellipses dont l'un des foyers est le Soleil. Les orbites des planètes sont quasiment circulaires. Celles des corps plus petits présentent des excentricités diverses et peuvent être fortement elliptiques. C'est notamment le cas des comètes et de certains autres petits corps, de certaines planètes naines et plus généralement des objets transneptuniens y compris ceux de la ceinture de Kuiper et du nuage d'Oort.

La distance d'un corps au Soleil varie au cours de sa rotation autour du Soleil. On appelle le point le plus proche du Soleil de l'orbite d'un corps son périhélie, le plus éloigné étant son aphélie.

De façon informelle, le Système solaire est souvent divisé en zones distinctes. Le Système solaire interne inclut les quatre planètes telluriques et la ceinture d’astéroïdes. Le reste du système peut être considéré simplement comme Système solaire externe[15] ; d’autres séparent la région au-delà de Neptune des quatre géantes gazeuses[16].

La majorité des planètes du Système solaire possèdent leur propre système secondaire. Les corps planétaires en rotation autour d'une planète sont appelés satellites naturels ou lunes. La plupart des plus grands satellites naturels évoluent sur une orbite synchrone, présentant toujours la même face à la planète autour de laquelle ils gravitent. Les quatre plus grandes planètes ont également un anneau planétaire.

Soleil

Article détaillé : Soleil.
Le Soleil tel qu’il est vu depuis la Terre.

Le Soleil, au sein de notre galaxie, est une étoile de type naine jaune parmi tant d'autres : la Voie lactée contient entre 200 et 400 milliards d'étoiles, dont 20 à 40 milliards seraient des naines jaunes[17]. Comme toute étoile selon les lois de la physique actuelle, sa masse permet à la densité en son cœur d’être suffisamment élevée pour provoquer des réactions de fusion thermonucléaire en continu. Chaque seconde le cœur du Soleil fusionne 620 millions de tonnes d'hydrogène[18] en 615,7 millions de tonnes d'hélium. Cette masse que le Soleil perd vient simplement du fait qu'un noyau d'hélium produit a une masse inférieure à celle des quatre noyaux d'hydrogène ayant servi à le fabriquer. La puissance rayonnée par le Soleil dans l'espace sous forme d'ondes électromagnétiques, environ 4 × 1026 watts, n'est autre que celle qui correspond à ce différentiel de 4,3 millions de tonnes par seconde[19].

Le Soleil est une naine jaune modérément grande, mais le nom est trompeur, puisque le Soleil est plus massif et plus lumineux que la majorité des étoiles de la Voie lactée (la plupart des étoiles de la Voie lactée étant des naines rouges, plus petites). Il se situe vers le milieu de la séquence principale du diagramme de Hertzsprung-Russell ; cependant, les étoiles plus brillantes et plus chaudes que le Soleil sont rares, tandis que les étoiles moins lumineuses et plus froides sont courantes[20].

Le diagramme de Hertzsprung-Russell ; la séquence principale va du bas à droite au haut à gauche.

On pense que la position du Soleil sur la séquence principale indique qu’il est loin d’avoir épuisé ses réserves d’hydrogène pour la fusion nucléaire. À ce jour, les calculs établissent qu'il a dispersé sous forme d'énergie 3 millièmes de sa masse initiale[19], soit l'équivalent de 3 fois la masse de Jupiter. Il devient progressivement plus brillant : au début de son histoire, sa luminosité était inférieure d'un bon tiers de celle d’aujourd’hui[21].

Le calcul du rapport entre l’hydrogène et l’hélium à l’intérieur du Soleil suggère qu’il est environ à mi-chemin de son cycle de vie. Dans plus de cinq milliards d’années, il quittera la séquence principale et deviendra plus grand, plus brillant, plus froid et plus rouge : une géante rouge[22],[23]. À ce moment, sa luminosité sera près de 2000 fois celle d’aujourd’hui.

Le Soleil est une étoile de population I ; il est né après une ou plusieurs « générations » d'étoiles. Il contient plus d’éléments plus lourds que l’hydrogène et l’hélium (des « métaux » dans le langage astronomique) que les étoiles de population II[24]. Ces éléments métalliques ont été formés dans l’explosion des noyaux d’étoiles les plus massives, les supernovas. Les étoiles anciennes contiennent peu de métaux tandis que les étoiles ultérieures en contiennent ainsi plus. On pense que cette haute métallicité a été indispensable au développement du système planétaire, car les planètes se forment par accrétion de « métaux »[25].

Milieu interplanétaire

Article détaillé : Milieu interplanétaire.
La couche de courant héliosphérique.

En plus de la lumière, le Soleil rayonne un flux continu de particules chargées (un plasma) appelé vent solaire. Ce flux s’étend à la vitesse approximative de 1,5 million de kilomètres par heure[26], créant une atmosphère ténue, l’héliosphère, qui baigne le Système solaire jusqu’à environ 100 unités astronomiques (marquant l’héliopause). Le matériau composant l’héliosphère est connu sous le nom de milieu interplanétaire. Le cycle solaire de onze ans et les fréquentes éruptions solaires et éjections de masse coronale perturbent l’héliosphère et créent un climat spatial[27]. La rotation du champ magnétique solaire agit sur le milieu interplanétaire pour créer la couche de courant héliosphérique, la plus grande structure du Système solaire[28].

Une aurore australe vue depuis l’orbite terrestre.

Le champ magnétique terrestre protège l’atmosphère du vent solaire. Vénus et Mars ne possèdent pas de champ magnétique et le vent solaire souffle graduellement leur atmosphère dans l’espace[29]. Sur Terre, l’interaction du vent solaire et du champ magnétique terrestre cause les aurores polaires.

L’héliosphère protège en partie le Système solaire des rayons cosmiques, protection augmentée sur les planètes disposant de champ magnétique. La densité de rayons cosmiques dans le milieu interstellaire et l'intensité du champ magnétique solaire changent sur de très longues périodes, donc le niveau de rayonnement cosmique dans le Système solaire varie, mais on ignore de combien[30].

Le milieu interplanétaire héberge au moins deux régions de poussières cosmiques en forme de disque. La première, le nuage de poussière zodiacal, réside dans le Système solaire interne et cause la lumière zodiacale. Il fut probablement formé par des collisions à l’intérieur de la ceinture d’astéroïdes causées par des interactions avec les planètes[31]. La deuxième s’étend de 10 à 40 UA et fut probablement créée lors de collisions similaires dans la ceinture de Kuiper[32],[33].

Système solaire interne

Le Système solaire interne désigne traditionnellement la région située entre le Soleil et la ceinture d’astéroïdes. Composés principalement de silicates et de métaux, les objets du Système solaire interne orbitent près du Soleil : le rayon de la région tout entière est plus petit que la distance entre Jupiter et Saturne.

Ceinture intra-mercurienne

Très récemment[Quand ?] des nuages de poussières intramercuriens ont été détectés entre le Soleil et Mercure. Des recherches sont toujours menées afin de trouver des corps plus gros : les vulcanoïdes. Des comètes orbitent aussi dans cette zone : les astéroïdes apoheles.

Planètes internes

Article détaillé : Planète tellurique.
Les planètes internes. De gauche à droite : Mercure, Vénus, la Terre et Mars (dimensions à l’échelle).
Les planètes internes. De la plus grande à la plus petite : la Terre, Vénus, Mars et Mercure (dimensions à l’échelle).

Les quatre planètes internes possèdent une composition dense et rocheuse, peu ou pas de satellites naturels et aucun système d’anneaux. De taille modeste (la plus grande de ces planètes étant la Terre dont le diamètre est de 12 756 km), elles sont composées en grande partie de minéraux à point de fusion élevé, tels les silicates qui forment leur croûte solide et leur manteau semi-liquide, et de métaux comme le fer et le nickel qui composent leur noyau. Trois des quatre planètes (Vénus, la Terre et Mars) ont une atmosphère substantielle ; toutes présentent des cratères d’impact et des caractéristiques tectoniques de surface comme des rifts et des volcans[34].

Mercure
Article détaillé : Mercure (planète).

Mercure est la planète la plus proche du Soleil (0,4 UA), ainsi que la plus petite (4 878 km de diamètre) et la moins massive, un peu plus du vingtième de la masse terrestre (0,055 masse terrestre)[35]. Elle est connue depuis l'Antiquité et doit son nom au dieu Mercure, qui était chez les Romains le messager des dieux, et dieu du commerce et du voyage ; cela est dû au fait qu'elle se déplace très vite. Mercure ne possède aucun satellite naturel et ses seules caractéristiques géologiques connues, en dehors des cratères d’impact, sont des dorsa, probablement produites par contraction thermique lors de la solidification interne, plus tôt dans son histoire[36]. L'atmosphère de Mercure, quasiment inexistante, est formée d’atomes arrachés à sa surface par le vent solaire[37],[38] ou momentanément capturés à ce vent. L’origine de son grand noyau de fer liquide et de son fin manteau n’a toujours pas été expliquée de manière adéquate. Parmi les scénarios hypothétiques, il est possible que ses couches externes aient été balayées par un impact géant ou qu’elle ait été stoppée dans son accrétion par l’énergie solaire[39],[40]. Sa période de révolution est d'environ 88 jours et sa période de rotation est de 58 jours. La presque-absence d'atmosphère significative et la proximité du Soleil amène les températures de surface à varier de 427 °C (700 K) lorsque le Soleil est au zénith et à −173 °C la nuit, et il fait même −210 °C au fond des cratères mercuriens tellement il y fait noir[35]. Mercure tourne sur elle-même en environ deux mois terrestres et fait le tour du Soleil en 88 jours terrestres, sur une orbite elliptique.

Vénus
Article détaillé : Vénus (planète).

Vénus (0,7 UA) est proche de la Terre en taille et en masse (0,815 masse terrestre) et, comme elle, possède un épais manteau de silicate entourant un noyau métallique, une atmosphère significative et une activité géologique interne. Cependant, elle est beaucoup plus sèche et la pression de son atmosphère (au sol) est 90 fois celle de la nôtre[41]. Vénus ne possède aucun satellite[34]. Il s’agit de la planète la plus chaude, avec une température de surface supérieure à 462 °C, maintenue essentiellement par l’effet de serre causé par son atmosphère très riche en gaz carbonique[42],[43]. Aucune activité géologique récente n’a été détectée sur Vénus ; son absence de champ magnétique ne permettant pas d’empêcher l'appauvrissement de son atmosphère par le vent solaire, cela suggère cependant qu’elle est réallimentée régulièrement par des éruptions volcaniques[44],[41]. Sa période de révolution est d'environ 225 jours terrestres. Sa période de rotation est de 243 jours terrestres. Son diamètre est de 12 104 kilomètres et elle se situe à environ 108 millions de kilomètres du Soleil.

Terre
Article détaillé : Terre.
La Terre et son satellite la Lune (dimensions à l’échelle).

La Terre (1 UA) est la plus grande, la plus massive et la plus dense des planètes internes, la seule dont on connaisse une activité géologique récente, et qui abrite la vie. Son hydrosphère liquide est unique parmi les planètes telluriques, et elle est la seule planète où une activité tectonique a été observée. L’atmosphère terrestre est radicalement différente de celle des autres planètes, ayant été altérée par la présence de formes de vie, pour contenir 21 % d’oxygène[45],[46]. La Terre possède un satellite, la Lune, le seul satellite significativement grand des planètes telluriques du Système solaire. L'explication la plus généralement admise pour expliquer l'origine de ce singulier satellite serait la collision latérale de la jeune Terre avec un impacteur géant, de la taille de la planète Mars[47], ce qui explique aussi que la période de rotation soit si courte (~23 h 56 min 4,1 s). La période de révolution de la Terre, c'est-à-dire la durée de l'année, est d'environ 365,25 jours[46]. Son diamètre est de 12 756 kilomètres et se situe à environ 150 millions de kilomètres du Soleil (1 UA).

Mars
Article détaillé : Mars (planète).

Mars (1,5 UA) est deux fois plus petite que la Terre et Vénus, et comporte seulement le dixième de la masse terrestre (0,107 masse terrestre). Sa période de révolution autour du Soleil est de 687 jours terrestres et sa journée dure 24 heures et 39 minutes[35]. Elle possède une atmosphère ténue, principalement composée de dioxyde de carbone, et une surface désertique[48], avec un climat qui peut être qualifié d'hyper-continental : en été, la température dépasse rarement les 20 à 25 °C à l'équateur, alors qu'elle peut chuter jusqu'à −120 °C voire plus pendant l'hiver aux pôles[35]. Le terrain martien, parfois très accidenté, est constellé de vastes volcans, comme Olympus Mons (le plus haut du Système solaire), de vallées, de rifts comme Valles Marineris[49]. Ces structures géologiques montrent des signes d’une activité géologique, voire hydraulique, qui a peut-être persisté jusqu’à récemment[50],[51]. Mars possède deux petits satellites naturels, Déimos et Phobos, probablement des astéroïdes capturés. À cause des effets de marée, l'orbite de Phobos diminue et le satellite devrait s'écraser sur la planète rouge dans environ 50 millions d'années, tandis que Deimos s'éloigne progressivement[52].

Ceinture d'astéroïdes

Article détaillé : Ceinture d'astéroïdes.
Schéma de la ceinture d'astéroïdes et des astéroïdes troyens.

Les astéroïdes sont principalement de petits corps du Système solaire composés de roches et de minéraux métalliques non volatils. La ceinture d'astéroïdes occupe une orbite située entre Mars et Jupiter, à une distance comprise entre 2,3 et 3,3 UA du Soleil. On pense qu'il s'agit de restes du Système solaire en formation qui n'ont pas pu s'accréter en un corps plus gros à cause des interférences gravitationnelles de Jupiter.

Les astéroïdes varient en taille, depuis plusieurs centaines de kilomètres à des poussières microscopiques. Tous les astéroïdes, sauf le plus grand, Cérès, sont considérés comme des petits corps, bien que certains tels Vesta ou Hygie pourraient être reclassés comme planètes naines s'il est démontré qu'ils ont atteint un équilibre hydrostatique.

La ceinture d'astéroïdes contient des dizaines de milliers, éventuellement des millions, d'objets de plus d'un kilomètre de diamètre[53]. Malgré ceci, la masse totale de la ceinture ne dépasse probablement pas un millième de celle de la Terre[54]. La ceinture est très peu densément peuplée ; les sondes spatiales l'ont traversée régulièrement sans incident. Les astéroïdes d'un diamètre compris entre 10 et 10-4 m sont appelés météoroïdes[55].

Cérès
Cérès vu par la sonde spatiale Dawn le . Les contrastes ont ici été augmentés.

Cérès, officiellement (1) Cérès, situé à 2,77 ua du Soleil, est le plus grand corps de la ceinture d'astéroïdes et sa seule planète naine. D'un diamètre de 952 km, suffisant pour que sa propre gravité lui donne une forme sphérique, Cérès fut considéré comme une planète quand il fut découvert au XIXe siècle, puis recatégorisé comme astéroïde dans les années 1850 lorsque des observations révélèrent leur abondance[56]. Il est également classifié comme planète naine depuis 2006 (tout en gardant son statut d'astéroïde défini de façon totalement indépendante).

Groupes d'astéroïdes

Les astéroïdes de la ceinture principale sont divisés en plusieurs groupes et familles suivant leurs caractéristiques orbitales. Certains astéroïdes comportent des lunes, parfois aussi larges qu'eux-mêmes. La ceinture contient également des comètes[57] d'où pourrait provenir l'eau terrestre.

Le Système solaire interne est également constellé d'astéroïdes situés en dehors de la ceinture et dont l'orbite croise éventuellement celle des planètes telluriques.

Système solaire externe

Le Système solaire externe comparé à trois étoiles.

Au-delà de la ceinture d'astéroïdes s'étend une région dominée par les géantes gazeuses. De nombreuses comètes à courte période, y compris les centaures, y résident également.

La zone ne possède pas de nom traditionnel correctement défini. Il est fait souvent mention du Système solaire externe, par opposition au Système solaire interne, mais le terme a récemment commencé à être utilisé exclusivement pour la zone située après l'orbite de Neptune.

Les objets solides de cette région sont composés d'une plus grande proportion de « glaces » (eau, ammoniac, méthane) que leurs correspondants du Système solaire interne.

Planètes externes

Article détaillé : Planète géante gazeuse.
Les géantes gazeuses. De haut en bas : Neptune, Uranus, Saturne et Jupiter (image non à l'échelle).

Les quatre planètes externes sont des géantes gazeuses qui regroupent 99 % de la masse qui orbite autour du Soleil. L'atmosphère de Jupiter et Saturne est principalement constituée d'hydrogène et d'hélium ; celle d'Uranus et de Neptune contient un plus grand pourcentage de glaces. Il a été suggéré qu'elles appartiennent à une catégorie distincte, les « géantes glacées »[58]. Les quatre géantes gazeuses possèdent des systèmes d'anneaux, mais seuls ceux de Saturne peuvent être facilement observés depuis la Terre. En outre, le nombre de leurs satellites naturels est élevé voire très élevé (On en a détecté plus de soixante autour de Jupiter et de Saturne).

Jupiter
Article détaillé : Jupiter (planète).

Jupiter (5,2 UA), avec 318 masses terrestres, est aussi massive que 2,5 fois toutes les autres planètes, son diamètre avoisine les 143 000 kilomètres. Elle est composée essentiellement d'hydrogène et d'hélium, d'un peu d'ammoniac et de vapeur d'eau. Sa forte chaleur interne crée un certain nombre de caractéristiques semi-permanentes dans son atmosphère, comme des bandes de nuages ou la Grande tache rouge. Jupiter possède 67 satellites connus (on en a découvert 12 de plus récemment, ce qui en fait 79 satellites) ; les quatre plus gros, (appelés aussi satellites galiléens car découverts par l'astronome italien Galilée au XVIIe siècle), Ganymède, Callisto, Io et Europe, présentent des similarités avec les planètes telluriques, comme le volcanisme[59]. Ganymède, le plus gros satellite du Système solaire, est plus grand que Mercure.

Sa période de révolution est d'environ 12 ans et sa période de rotation est de 9 h 55 min 27,3 s, elle se situe à 778 millions de kilomètres du Soleil.

Saturne
Article détaillé : Saturne (planète).

Saturne (9,5 UA), connue pour son système d'anneaux, possède des caractéristiques similaires à Jupiter, comme sa composition atmosphérique. Elle est moins massive (95 masses terrestres) et possède 62 satellites[60] ; deux d'entre eux, Titan et Encelade, présentent des signes d'activité géologique, essentiellement du cryovolcanisme[61]. Titan est plus grand que Mercure, il est le seul satellite du Système solaire à avoir une atmosphère substantielle.

Sa période de révolution est d'environ 29 ans et sa période de rotation est de 10 h 47 min 6 s. C'est également la 2e planète la plus grosse du Système Solaire, après Jupiter, avec un diamètre équatorial de 120 536 kilomètres.

Uranus
Article détaillé : Uranus (planète).

Uranus (19,6 UA), avec 14 masses terrestres, est la moins massive des géantes gazeuses. De façon unique parmi les planètes du Système solaire, elle orbite le Soleil sur son côté, l'axe de sa rotation étant incliné d'environ 98° par rapport à son orbite. Son noyau est nettement plus froid que celui des autres géantes gazeuses et rayonne très peu de chaleur dans l'espace[62]. Uranus possède 27 satellites connus, les plus grands étant Titania, Obéron, Umbriel, Ariel et Miranda.

Son diamètre est de 51 118 kilomètres, elle se situe à environ 2 milliards 870 millions de kilomètres du Soleil et sa période de révolution est d'environ 84 ans. Sa rotation est rétrograde et de période d'environ 17h. Il y règne une température d'environ −220 °C.

Neptune
Article détaillé : Neptune (planète).

Neptune (30 UA), bien que plus petite qu'Uranus, est légèrement plus massive (17 masses terrestres) et par conséquent plus dense. Elle rayonne plus de chaleur interne, mais pas autant que Jupiter ou Saturne[63]. Neptune possède 14 satellites connus. Le plus grand, Triton, est géologiquement actif et présente des geysers d'azote liquide[64]. Triton est le seul grand satellite placé sur une orbite rétrograde.

Neptune a un diamètre équatorial de 49 528 kilomètres, elle se situe à environ 4 milliards 500 millions de kilomètres du Soleil et sa période de révolution est d'environ 165 ans. La température y est d'environ −220 °C.

Comètes

Article détaillé : Comète.
Vue de la comète Hale-Bopp.

Les comètes sont de petits corps célestes du Système solaire, généralement de quelques kilomètres de diamètre, principalement composés de glaces volatiles. Elles possèdent des orbites hautement excentriques, avec un périhélie souvent situé dans le Système solaire interne et un aphélie au-delà de Pluton. Lorsqu'une comète entre dans le Système solaire interne, la proximité du Soleil provoque la sublimation et l'ionisation de sa surface, créant une queue : une longue traînée de gaz et de poussière.

Les comètes à courte période (comme la comète de Halley) parcourent leur orbite en moins de 200 ans et proviendraient de la ceinture de Kuiper ; les comètes à longue période (comme la comète Hale-Bopp) ont une périodicité de plusieurs milliers d'années et tiendraient leur origine du nuage d'Oort. D'autres enfin ont une trajectoire hyperbolique et proviendraient de l'extérieur du Système solaire, mais la détermination de leur orbite est difficile[65]. Les vieilles comètes qui ont perdu la plupart de leurs composés volatils sont souvent considérées comme des astéroïdes[66].

Centaures

Les centaures, qui s'étendent entre 9 et 30 UA, sont des corps glacés analogues aux comètes orbitant entre Jupiter et Neptune. Le plus grand centaure connu, Chariclo, mesure entre 200 et 250 km de diamètre[67]. Le premier centaure découvert, Chiron, fut considéré comme une comète puisqu'il développait une queue cométaire[68]. Certains astronomes classent les centaures comme des objets de la ceinture de Kuiper internes épars, des équivalents des objets épars externes[69].

Astéroïdes troyens

Les astéroïdes troyens sont deux groupes d'astéroïdes situés aux points de Lagrange L4 ou L5 de Jupiter (des zones gravitationnellement stables en avant et en arrière de son orbite).

Neptune et Mars sont également accompagnés par quelques astéroïdes troyens.

Région transneptunienne

Article détaillé : Objet transneptunien.

La zone au-delà de Neptune, souvent appelée région transneptunienne, est toujours largement inexplorée. Il semble qu'elle consiste essentiellement en de petits corps (le plus grand ayant le cinquième du diamètre de la Terre, et une masse bien inférieure à celle de la Lune), composés de roche et de glace.

Ceinture de Kuiper

Article détaillé : Ceinture de Kuiper.
Diagramme indiquant la position de tous les objets de la ceinture de Kuiper connus.

La ceinture de Kuiper, la principale structure de la région, est un grand anneau de débris similaire à la ceinture d'astéroïdes, mais composée principalement de glace. La première partie de la ceinture s'étend entre 30 et 50 UA du Soleil et s'arrête à la « falaise de Kuiper », la seconde partie va au-delà (100 UA voire plus). On pense que la région est la source des comètes de courte période.

Elle est principalement composée de petits corps, mais plusieurs des plus gros objets, comme Quaoar, Varuna, ou Orcus, pourraient être reclassifiés comme planètes naines. On estime à 100 000 le nombre d'objets de la ceinture de Kuiper d'un diamètre supérieur à 50 km, mais sa masse totale est estimée à un dixième, voire un centième de celle de la Terre[70]. Plusieurs objets de la ceinture possèdent des satellites multiples et la plupart sont situés sur des orbites qui les emmènent en dehors du plan de l'écliptique.

La ceinture de Kuiper peut être grossièrement divisée entre les objets « classiques » et ceux en résonance avec Neptune. Comme les plutinos, qui parcourent deux orbites quand Neptune en parcourt trois, mais il existe d'autres rapports.

La ceinture en résonance débute à l'intérieur même de l'orbite de Neptune. La ceinture classique des objets n'ayant aucune résonance avec Neptune s'étend entre 39,4 et 47,7 UA[71]. Les membres de cette ceinture classique sont appelés cubewanos, d'après le premier objet de ce genre à avoir été découvert, (15760) 1992 QB1[72].

Pluton et Charon
Pluton
Article détaillé : Pluton (planète naine).
Diagramme montrant les orbites alignées des plutinos et autres objets de la ceinture de Kuiper en résonance avec Neptune (en rouge) et des objets classiques (en bleu).
Pluton et ses cinq lunes connues : Charon, Hydra, Nix, p. 4 et p. 5.

Pluton (39,5 UA en moyenne), une planète naine, est le plus grand objet connu de la ceinture de Kuiper. Découvert en 1930 et considéré comme une planète, il fut reclassifié en août 2006 lors de l'adoption d'une définition formelle de ces différents corps. Pluton possède une orbite excentrique inclinée de 17° sur le plan de l'écliptique et qui s'étend de 29,7 UA au périhélie à 49,5 UA à l'aphélie. Elle a un diamètre équatorial de 2370 kilomètres, elle se situe à environ 5 milliards 900 millions de kilomètres du Soleil.

Charon
Article détaillé : Charon (lune).

Suite au survol de Pluton et Charon par la sonde New Horizons en juillet 2015 et aux nombreuses données nouvelles reçues, la plus grande lune de Pluton, Charon, a été confirmée comme formant un système binaire Pluton-Charon, peut-être issu d'une collision ancienne. Les deux corps ont un centre de gravité commun situé au-dessus de la surface de chacun des deux corps et forment le premier système binaire de planètes connu du système solaire, système fréquent dans d'autres galaxies. Quatre autres petites lunes, Nix, Hydre, Kerbéros et Styx, orbitent autour du couple Pluton-Charon.

Pluton est en résonance orbitale 3:2 avec Neptune (la planète naine orbite deux fois autour du Soleil quand Neptune orbite trois fois). Les objets de la ceinture de Kuiper qui partagent cette résonance sont nommés plutinos[73].

Objets épars

Article détaillé : Objet épars.
Les objets de la ceinture de Kuiper. En noir : objets épars ; en bleu : objets classiques ; en vert : objets en résonance avec Neptune.

Les objets épars s'étendent bien au-delà de la ceinture de Kuiper. On pense qu'ils proviennent de cette ceinture mais en ont été éjectés par l'influence gravitationnelle de Neptune lors de sa formation. La plupart des objets épars possèdent un périhélie dans la ceinture de Kuiper et un aphélie pouvant atteindre 150 UA Soleil. De façon typique, leur orbite est fortement inclinée, souvent presque perpendiculaire à l'écliptique. Certains astronomes les considèrent comme d'autres éléments de la ceinture de Kuiper et les appellent d'ailleurs des « objets épars de la ceinture de Kuiper »[74].

Éris
Article détaillé : (136199) Éris.
Éris et sa lune Dysnomie.

Éris (68 UA en moyenne) est le plus gros objet épars connu et a d'ailleurs provoqué une clarification du statut de planète à sa découverte, puisqu'il est au moins 5 % plus grand que Pluton (diamètre estimé de 2 400 km)[75]. Il possède une lune, Dysnomie. Comme Pluton, son orbite est fortement excentrique (périhélie à 38,2 UA, la distance moyenne de Pluton au Soleil, aphélie à 97,6 UA) et fortement inclinée sur l'écliptique, à 44°.

Régions lointaines

Héliopause, héliosphère, héliogaine

Articles détaillés : héliopause, héliosphère et héliogaine.
Vue d'artiste de la ceinture de Kuiper et de l'hypothétique nuage d'Oort.
La sonde Voyager 1 pénétrant l'héliogaine.
Photographie de Sedna.
Le Système solaire, du Soleil à Alpha Centauri (échelle logarithmique).

L'héliosphère est divisée en deux régions distinctes. Le vent solaire voyage à sa vitesse maximale jusqu'à environ 95 UA, trois fois la distance moyenne entre Pluton et le Soleil. Ensuite, le vent solaire entre en collision avec les vents opposés en provenance du milieu interstellaire. Il ralentit, se condense et subit des turbulences, formant une grande structure ovale appelée l'héliogaine qui ressemble et se comporte de façon assez similaire à la queue d'une comète, s'étendant encore sur 40 UA dans un sens et sur plusieurs fois cette distance dans la direction opposée. La limite externe de l'héliosphère, l'héliopause, est le point où le vent solaire s'éteint et où débute l'espace interstellaire[76].

La forme de l'héliopause est affectée par les interactions avec le milieu interstellaire[77], ainsi que par les champs magnétiques solaires dominant au sud (l'hémisphère nord s'étend 9 UA plus loin que l'hémisphère sud). Au-delà de l'héliopause, à environ 230 UA du Soleil, s'étend une onde de choc, une zone de plasma laissée par le Soleil au cours de son trajet à travers la Voie lactée[78].

Aucune sonde spatiale n'a dépassé l'héliopause et les conditions dans l'espace interstellaire ne sont pas connues. On sait assez peu à quel point l'héliosphère protège le Système solaire des rayons cosmiques. Une mission spécifique a été suggérée[79],[80].

Nuage de Hills et nuage d'Oort

Articles détaillés : nuage de Hills et nuage d'Oort.

Le nuage de Hills est une zone hypothétique, intermédiaire de la ceinture de Kuiper et du nuage d'Oort.

Le nuage d'Oort est une zone hypothétique regroupant jusqu'à un trillion d'objets glacés et dont on pense qu'il est la source des comètes à longue période. Il entourerait le Système solaire vers 50 000 UA, peut-être même jusqu'à 154 000 UA. On pense qu'il serait composé de comètes qui ont été éjectées du Système solaire interne après des interactions avec les géantes gazeuses. Les objets du nuage d'Oort se déplacent très lentement et peuvent être affectés par des évènements peu fréquents comme des collisions, les effets gravitationnels d'une étoile proche ou une marée galactique[81],[82].

Sedna et le nuage de Hills

Sedna est un grand objet rougeâtre ressemblant à Pluton dont l'orbite très excentrique l'amène à 76 UA du Soleil au périhélie et à 928 UA à l'aphélie et qui prend 12 050 ans à être parcourue. Michael Brown, qui découvrit l'objet en 2003, a déclaré qu'il ne peut pas s'agir d'un objet épars car son périhélie est trop lointain pour avoir été affecté par Neptune. Il considère, avec d'autres astronomes, qu'il s'agit du premier membre connu d'une population nouvelle, qui pourrait inclure l'objet (148209) 2000 CR105, qui possède un périhélie de 45 UA, un aphélie de 415 UA et une période orbitale de 3 420 ans[83]. Brown nomme cette population le « nuage d'Oort interne » car il se serait formé selon un procédé similaire, mais à une moins grande distance du Soleil[84]. Sedna est très probablement une planète naine, même si sa forme n'est pas connue avec certitude.

Limites

La limite entre le Système solaire et l'espace interstellaire n'est pas précisément définie. On pense que le vent solaire laisse la place au milieu interstellaire à quatre fois la distance entre Neptune et le Soleil. Cependant, la sphère de Hill du Soleil, c'est-à-dire sa zone d'influence gravitationnelle, s'étendrait plus de 1 000 fois plus loin, jusqu'à plus de 2 années-lumière (la moitié de la distance à l'étoile la plus proche) ; des objets ont été détectés jusqu'à 154 202 ua (2,44 a.l.) avec C/1992 J1 (Spacewatch). Certaines comètes ont une orbite calculée à une distance bien plus grande. C'est le cas de la comète C/2008 C1, qui d'après le site Jet Propulsion Laboratory de la NASA, affichait une distance de 312 174 ua (près de 5 a.l.), ce qui la situerait en-dehors du Système solaire. Cependant, la marge d'erreur des paramètres orbitaux est très importante et sa distance maximale du Soleil est très incertaine[85]. Malgré des découvertes récentes comme celle de Sedna, la zone située entre la ceinture de Kuiper et le nuage d'Oort est globalement inconnue. Par ailleurs, celle située entre le Soleil et Mercure fait toujours l'objet d'études[86].

Éléments orbitaux des planètes et planètes naines

Valeurs actuelles

Distance moyenne des objets célestes du Système solaire par rapport au Soleil en UA.
Orbites des planètes et planètes naines du Système solaire
Demi-grand axe (UA) Excentricité Inclinaison (°) Période (années)
Mercure 0,38710 0,205631 7,0049 0,2408
Vénus 0,72333 0,006773 3,3947 0,6152
Terre 1,00000 0,016710 0,00000 1,00000
Mars 1,52366 0,093412 1,8506 1,8808
Cérès (planète naine) 2,7665 0,078375 10,5834 4,601
Jupiter 5,20336 0,048393 1,3053 11,862
Saturne 9,53707 0,054151 2,4845 29,457
Uranus 19,1913 0,047168 0,7699 84,018
Neptune 30,0690 0,008586 1,7692 164,78
Pluton (planète naine) 39,4817 0,248808 17,1417 248,4
Éris (planète naine) 68,1461 0,432439 43,7408 562,55

Évolution passée et future

Les paramètres orbitaux des planètes et des planètes naines sont très stables à l'échelle des siècles et des milliers d'années, mais ils évoluent à des échelles de temps supérieures en raison de leurs interactions gravitationnelles. Les orbites tournent elles-mêmes autour du Soleil et divers paramètres oscillent. L'excentricité de l'orbite terrestre, par exemple, oscille avec une période de 2,4 Ma. L'évolution passée et future peut être calculée, mais pas au-delà d'une durée de 60 Ma en raison du caractère chaotique de la dynamique du Système solaire (les incertitudes du calcul sont multipliées par 10 tous les 10 Ma[87],[88]. On peut cependant retrouver des caractéristiques plus anciennes de l'orbite terrestre (et d'autres planètes) grâce à l'enregistrement géologique du climat, via les cycles de Milanković. On obtient notamment qu'il y a 200 Ma, la période des oscillations de l'excentricité orbitale terrestre était de seulement 1,7 Ma, contre 2,4 Ma aujourd'hui[87],[88].

Formation et évolution

Articles détaillés : formation et évolution du Système solaire, évolution des étoiles et nébuleuse solaire.
Vision d'artiste d'un disque protoplanétaire.

Formation

Selon l'hypothèse la plus couramment acceptée, le Système solaire s'est formé à partir de la nébuleuse solaire, théorie proposée pour la première fois en 1755 par Emmanuel Kant et formulée indépendamment par Pierre-Simon de Laplace[89]. Selon cette théorie, la nébuleuse (nuage de gaz et de poussière) qui a donné naissance au Soleil s'est formée il y a 4 milliards 660 millions d'années par effondrement gravitationnel. Ce nuage était large de plusieurs années-lumière et a probablement donné naissance à plusieurs étoiles[90]. Les études de météorites révèlent des traces d'éléments qui ne sont produits qu'au cœur d'explosions d'étoiles très grandes, indiquant que le Soleil s'est formé à l'intérieur d'un amas d'étoiles et à proximité d'un certain nombre de supernovas. L'onde de choc de ces supernovas a peut-être provoqué la formation du Soleil en créant des régions de surdensité dans la nébuleuse environnante, permettant à la gravité de prendre le dessus sur la pression interne du gaz et d'initier l'effondrement[91]. La présence d'une supernova à proximité d'un disque protoplanétaire étant fortement improbable (l'explosion chasse le gaz autour d'elle), une autre modélisation de l'environnement stellaire du Soleil primitif est proposée en 2012, à partir d'observations astronomiques d'étoiles jeunes, pour expliquer la présence d'isotopes radioactifs de l'aluminium 26Al et du fer 60Fe dans des inclusions météoritiques au tout début du Système solaire. En moins de 20 millions d'années, trois générations d'étoiles, formées par la compression du gaz à la suite d'ondes de choc produites par le vent solaire de supernovae selon le scénario du Little Bang, se seraient succédé dans un nuage moléculaire géant pour former le Système solaire[92].

La région qui deviendra par la suite le Système solaire, connue sous le nom de nébuleuse pré-solaire[93], avait un diamètre entre 7 000 et 20 000 UA[90],[94] et une masse très légèrement supérieure à celle du Soleil (en excès de 0,001 à 0,1 masse solaire)[95]. Au fur et à mesure de son effondrement, la conservation du moment angulaire de la nébuleuse la fit tourner plus rapidement. Tandis que la matière s'y condensait, les atomes y entrèrent en collision de plus en plus fréquemment. Le centre, où la plupart de la masse s'était accumulée, devint progressivement plus chaud que le disque qui l'entourait[90]. L'action de la gravité, de la pression gazeuse, des champs magnétiques et de la rotation aplatirent la nébuleuse en un disque protoplanétaire en rotation d'un diamètre d'environ 200 UA[90] entourant une proto-étoile dense et chaude[96],[97].

Des études d'étoiles du type T Tauri — des masses stellaires jeunes n'ayant pas démarré les opérations de fusion nucléaire et dont on pense qu'elles sont similaires au Soleil à ce stade de son évolution — montrent qu'elles sont souvent accompagnées de disques pré-planétaires[95]. Ces disques s'étendent sur plusieurs centaines d'UA et n'atteignent qu'au plus un millier de kelvins[98].

Image de disques protoplanétaires de la nébuleuse d'Orion prise par le télescope spatial Hubble ; cette « pépinière d'étoile » est probablement similaire à la nébuleuse primordiale à partir de laquelle s'est formé le Soleil.

En un million d'années (il y a 4 milliards 568 millions d'années), à la fin de la phase T Tauri (Soleil protoétoile, qui a duré de 4,569 à 4,568 milliards d'années), la pression et la densité de l'hydrogène au centre de la nébuleuse devinrent suffisamment élevées pour que la proto-étoile initie la fusion nucléaire, accroissant sa taille jusqu'à ce qu'un équilibre hydrostatique soit atteint, l'énergie thermique contrebalançant la contraction gravitationnelle. À ce niveau, le Soleil devint une véritable étoile, la température centrale atteint 15 millions de degrés Celsius[99].

Les autres corps du Système solaire se formèrent du reste du nuage de gaz et de poussière. Les modèles actuels les font se former par accrétion : initialement des grains de poussière en orbite autour de la proto-étoile centrale, puis des amas de quelques mètres de diamètre formés par contact direct, lesquels entrèrent en collision pour constituer des planétésimaux d'environ cinq kilomètres de diamètre. À partir de là, leur taille augmenta par collisions successives au rythme moyen de 15 cm/an au cours des millions d'années suivants[100].

Le système solaire interne était trop chaud pour que les molécules volatiles telles que l'eau ou le méthane se condensent : les planétésimaux qui s'y sont formés étaient relativement petits (environ 0,6 % de la masse du disque)[90] et principalement formés de composés à point de fusion élevé, tels les silicates et les métaux. Ces corps rocheux devinrent à terme les planètes telluriques. Plus loin, les effets gravitationnels de Jupiter empêchèrent l'accrétion des planétésimaux, formant la ceinture d'astéroïdes[101].

Encore plus loin, là où les composés glacés volatils pouvaient rester solides, Jupiter et Saturne devinrent des géantes gazeuses. Uranus et Neptune capturèrent moins de matière et on pense que leur noyau est principalement formé de glaces[102],[103].

Dès que le Soleil produisit de l'énergie, le vent solaire souffla le gaz et les poussières du disque protoplanétaire, stoppant la croissance des planètes. Les étoiles de type T Tauri possèdent des vents stellaires nettement plus intenses que les étoiles plus anciennes et plus stables[104],[105].

Évolution

La chaleur dégagée par le Soleil augmente au fil du temps. On peut extrapoler qu'à très long terme (plusieurs centaines de millions d'années) elle atteindra un niveau tel que la vie sera impossible sur Terre.

Dans plus de cinq milliards d'années, le Soleil aura épuisé ses réserves d'hydrogène, qui se seront transformées en hélium, et changera de structure. Son noyau se contractera mais l'étoile entière deviendra beaucoup plus volumineuse. Il devrait se transformer en géante rouge, 100 fois plus grande qu'à l'heure actuelle. Les planètes les plus proches, Mercure et Vénus, devraient être détruites.

Il entamera alors un nouveau cycle de fusion avec l'hélium fusionnant en carbone (et oxygène) dans son cœur, et l'hydrogène fusionnant en hélium dans une couche périphérique du cœur. Dans cette configuration, il aura « soufflé » son enveloppe externe, devenant une sous-géante, environ 10 fois plus grande qu'actuellement.

Il va ensuite brûler son hélium assez rapidement, à la fin de ce cycle il regonflera de manière encore plus importante, grillant complètement la Terre au passage.

Une fois ses réserves d'énergie nucléaire complètement consommées, le Soleil s'effondrera sur lui-même et se transformera en naine blanche très dense et peu lumineuse. Il refroidira petit à petit et finira par ne plus rayonner ni lumière ni chaleur, il sera alors parvenu au stade de naine noire.

Contexte galactique

Schéma indiquant la structure générale de la Voie lactée, ses bras principaux et la localisation du Système solaire.

Le Système solaire est situé dans la Voie lactée, une galaxie spirale barrée d'un diamètre d'environ 100 000 années-lumière contenant 200 milliards d'étoiles[106]. Le Soleil réside dans l'un des bras spiraux externes de la galaxie, le bras d'Orion[107], à entre 25 000 et 28 000 années-lumière du centre galactique. Il y évolue à environ 220 kilomètres par seconde et effectue une révolution en 225 à 250 millions d'années, une année galactique[108].

La situation du Système solaire dans la galaxie est probablement un facteur de l'évolution de la vie sur Terre. Son orbite est quasiment circulaire et est parcourue à peu près à la même vitesse que la rotation des bras spiraux, ce qui signifie qu'il ne les traverse que rarement. Les bras spiraux hébergeant nettement plus de supernovas potentiellement dangereuses, cette disposition a permis à la Terre de connaitre de longues périodes de stabilité interstellaire[109]. Le Système solaire réside également en dehors des zones riches en étoiles autour du centre galactique. Près du centre, l'influence gravitationnelle des étoiles proches perturberait plus souvent le nuage d'Oort et propulserait plus de comètes vers le Système solaire interne, produisant des collisions aux conséquences potentiellement catastrophiques. Le rayonnement du centre galactique interférerait avec le développement de formes de vie complexes[109]. Même à l'endroit actuel du Système solaire, certains scientifiques ont émis l'hypothèse que des supernovas récentes ont affecté la vie dans les derniers 35 000 ans en émettant des morceaux de cœur stellaire vers le Soleil sous forme de poussières radioactives ou de corps ressemblant à des comètes[110].

Voisinage

Le voisinage immédiat du Système solaire est connu sous le nom de nuage interstellaire local, une zone relativement dense à l'intérieur d'une région qui l'est moins, la Bulle locale. Cette bulle est une cavité du milieu interstellaire, en forme de sablier d'environ 300 années-lumière de large. La bulle contient du plasma à haute température de façon très diluée, ce qui suggère qu'elle est le produit de plusieurs supernovae récentes[111].

On compte relativement peu d'étoiles distantes de moins de 10 années-lumière du Soleil. Le système le plus proche est celui d'Alpha Centauri, un système triple distant de 4,4 années-lumière. Alpha Centauri A et B sont deux étoiles proches ressemblant au Soleil, Alpha Centauri C (ou Proxima Centauri) est une naine rouge orbitant la paire à 0,2 année-lumière d'elle. On trouve ensuite les naines rouges de l'étoile de Barnard (6 années-lumière), Wolf 359 (7,8 années-lumière) et Lalande 21185 (8,3 années-lumière). La plus grande étoile à moins de 10 années-lumière est Sirius, une étoile brillante deux fois plus massive que le Soleil autour de laquelle orbite une naine blanche nommée Sirius B ; elle est distante de 8,6 années-lumière. Les autres systèmes dans ces 10 années-lumière sont le système binaire de naines rouges Luyten 726-8 (8,7 années-lumière) et la naine rouge solitaire Ross 154 (9,7 années-lumière)[112]. La plus proche étoile simple analogue au Soleil est Tau Ceti, distante de 11,9 années-lumière ; elle possède 80 % de la masse du Soleil, mais seulement 60 % de sa luminosité[113]. En 2014, la plus proche exoplanète ressemblant à la Terre que l'on connaissait, Gliese 581 c, est située à 20,4 années-lumière. En 2016, a été découvert Proxima Centauri b, planète orbitant dans la zone habitable de Proxima Centauri situé à 4,23 années-lumière de la Terre. Au moment de sa découverte, il s'agit de l'exoplanète connue la plus proche de la Terre[114].

Le mouvement propre du Soleil et de son système parmi les étoiles voisines, dans le référentiel qui accompagne l'orbite galactique, est dirigé vers l'apex solaire, actuellement près de Véga, avec une vitesse de 15 kilomètres par seconde[115].

Série de cinq cartes montrant, de gauche à droite, notre position dans le Système solaire, le Système solaire parmi les étoiles du voisinage local, notre voisinage stellaire dans la Voie lactée, la Voie lactée dans le Groupe local de galaxies, et le Groupe local dans le Superamas de la Vierge.

Découverte et exploration

Observations pré-télescopiques

Articles détaillés : Géocentrisme et Héliocentrisme.

Le concept de Système solaire n'existait pas de façon répandue avant une époque récente. En règle générale, la Terre était perçue comme stationnaire au centre de l'Univers et souvent de nature intrinsèquement différente à celui-ci. Un cosmos héliocentrique fut cependant postulé à plusieurs reprises, par exemple par le philosophe grec Aristarque de Samos, le mathématicien et astronome indien Aryabhata ou l'astronome polonais Nicolas Copernic.

Néanmoins, les avancées conceptuelles du XVIIe siècle, conduites par Galileo Galilei, Johannes Kepler et Isaac Newton, popularisèrent l'idée que la Terre se déplaçait non seulement autour du Soleil, mais que les mêmes lois physiques s'appliquaient aux autres planètes. C'est Christian Huygens, après avoir amélioré les lunettes d'observation, qui dans sa Cosmotheoros posthume (1698) décrit pour la première fois les dimensions réelles du Système solaire alors connu (6 planètes et 6 lunes), en laissant voir les dimensions respectives du Soleil et des planètes.

Les cinq planètes les plus proches de la Terre (Mercure, Vénus, Mars, Jupiter et Saturne) sont parmi les objets plus brillants du ciel et étaient nommées πλανήτης (planētēs, signifiant « errant ») par les astronomes grecs dans l'Antiquité. Hormis le Soleil et la Lune, il s'agit des seuls membres du Système solaire connus avant les observations instrumentales.

Observations instrumentales

Article détaillé : Chronologie de l'astronomie du Système solaire.
Réplique du télescope d'Isaac Newton.

Les premières observations du Système solaire en tant que tel furent réalisées à partir de la mise au point de la lunette astronomique, puis du télescope, par les astronomes. Galilée fut parmi les premiers à découvrir des détails physiques sur d'autres corps : il observa que la Lune était couverte de cratères, que le Soleil possédait des taches et que quatre satellites orbitaient autour de Jupiter[116]. Christian Huygens poursuivit les découvertes de Galilée en découvrant Titan, le satellite de Saturne, et la forme des anneaux de cette planète[117]. Jean-Dominique Cassini découvrit ensuite quatre autres lunes de Saturne, la division de Cassini dans ses anneaux et la grande tache rouge sur Jupiter[118].

Edmond Halley réalisa en 1705 que les apparitions répétées d'une comète concernaient le même objet, revenant régulièrement tous les 75 à 76 ans. Ce fut la première preuve qu'autre chose que les planètes orbitait autour du Soleil[119].

En 1781, William Herschel observa ce qu'il pensa être une nouvelle comète, mais dont l'orbite révéla qu'il s'agissait d'une nouvelle planète, Uranus[120].

Giuseppe Piazzi découvrit Cérès en 1801, un petit corps situé entre Mars et Jupiter, qui fut initialement considéré comme une nouvelle planète. Des observations ultérieures révélèrent des milliers d'autres objets dans la même région, ce qui conduisit à leur reclassification comme astéroïdes[121].

Les écarts entre la position d'Uranus et les calculs théoriques de son orbite conduisirent à suspecter qu'une autre planète, plus lointaine, en perturbait le mouvement. Les calculs d'Urbain Le Verrier permirent la découverte de Neptune en 1846[122]. La précession du périhélie de Mercure conduisit également Le Verrier à postuler l'existence d'une planète située entre Mercure et le Soleil, Vulcain, en 1859, ce qui s'avéra au bout du compte être une fausse piste. Les anomalies de trajectoire des planètes externes firent émettre par Percival Lowell l'hypothèse d'une planète X. Après sa mort, l'observatoire Lowell conduisit une recherche qui aboutit à la découverte de Pluton par Clyde Tombaugh en 1930. Pluton se révéla être trop petit pour perturber les orbites des géantes gazeuses, et sa découverte fut une coïncidence. Comme Cérès, il fut d'abord considéré comme une planète avant d'être reclassifié en 2006 comme planète naine[122].

En 1992, David Jewitt et Jane Luu découvrirent (15760) 1992 QB1. Cet objet se révéla être le premier d'une nouvelle catégorie, qui fut nommée ceinture de Kuiper, un analogue glacé à la ceinture d'astéroïdes et dont Pluton fait partie[123],[124].

Mike Brown, Chadwick Trujillo et David L. Rabinowitz annoncèrent la découverte d'Éris en 2005, un objet épars plus grand que Pluton, et d'ailleurs le plus grand découvert en orbite autour du Soleil depuis Neptune[125].

Exploration spatiale

Article détaillé : Exploration du Système solaire.
Vue d'artiste de Pioneer 10 lorsque la sonde dépassa l'orbite de Pluton en 1983. La dernière transmission fut reçue en janvier 2003, à plus de 82 UA de distance. La sonde, vieille de plus de 35 ans, fut la première à entrer dans le Système solaire externe et s'éloigne du Soleil à plus de 43 400 km/h[126].

Depuis le début de l'ère spatiale, de nombreuses missions d'exploration par sondes spatiales ont été mises en œuvre. Toutes les planètes du Système solaire ont été visitées à divers degrés par des sondes robotisées : au minimum, des photographies en furent prises, et dans certains cas des atterrisseurs ont effectué des tests sur les sols et les atmosphères.

Le premier objet humain lancé dans l'espace fut le satellite soviétique Spoutnik 1 en 1957, qui orbita la Terre pendant trois mois. La sonde américaine Explorer 6, lancée en 1959, fut le premier satellite à renvoyer une image de la Terre prise de l'espace. La première sonde à voyager avec succès vers un autre corps fut Luna 1, qui dépassa la Lune en 1959 ; à l'origine, elle devait la percuter, mais manqua sa cible, et devint le premier objet artificiel à entrer en orbite solaire. Mariner 2 fut la première sonde à survoler une autre planète, Vénus, en 1962. Le premier survol réussi de Mars fut effectué par Mariner 4 en 1964 ; Mercure fut approchée par Mariner 10 en 1974.

Photographie de la Terre (entourée d'un cercle) prise par la sonde Voyager 1, à six milliards de kilomètres de distance. Les raies lumineuses sont des pics de diffraction provenant du Soleil (hors-cadre, sur la gauche).

La première sonde à explorer les planètes externes fut Pioneer 10, qui survola Jupiter en 1973. Pioneer 11 visita Saturne en 1979. Les deux sondes Voyager réalisèrent un survol de toutes les géantes gazeuses à partir de leur lancement en 1977. Elles survolèrent Jupiter en 1979 et Saturne en 1980 et 1981. Voyager 2 continua par un survol d'Uranus en 1986, et de Neptune en 1989. Les sondes Voyager sont sur le chemin de l'héliogaine et de l'héliopause ; selon la NASA, elles ont rencontré le choc terminal à environ 93 UA du Soleil[76],[127]. La NASA confirme officiellement, le 12 septembre 2013, après analyse des données recueillies par la sonde, que Voyager 1, à plus de 18 milliards de kilomètres du Soleil, a quitté la zone d'influence directe de ce dernier, l'héliosphère (zone de prédominance magnétique, la sonde étant toujours dans la zone de prédominance gravitationnelle de notre étoile)[128],[129]. Elle se trouve désormais dans l'espace interstellaire.

Le premier objet de la ceinture de Kuiper visité par une sonde a été la planète naine Pluton, survolée par la sonde New Horizons en juillet 2015[130]. La mission a été prolongée pour survoler l'objet transneptunien 2014 MU69 en janvier 2019.

En 1966, la Lune devint le premier objet du Système solaire, en dehors de la Terre, autour duquel un satellite artificiel fut mis en orbite (Luna 10). Elle fut suivie par Mars en 1971 (Mariner 9), Vénus en 1975 (Venera 9), Jupiter en 1995 (Galileo, qui réalisa le premier survol d'un astéroïde, Gaspra, en 1991), l'astéroïde Éros en 2000 (NEAR Shoemaker) et Saturne en 2004 (Cassini–Huygens). La sonde MESSENGER orbita autour de Mercure entre le 18 mars 2011 et le 30 avril 2015. Dawn s'est mise en orbite de l'astéroïde Vesta, entre juillet 2011 et septembre 2012, puis de la planète naine Cérès, à partir de mai 2015.

La première sonde à se poser sur un autre corps que la Terre fut la sonde soviétique Luna 2, qui impacta la Lune en 1959. La surface de Vénus fut atteinte en 1966 (Venera 3), Mars en 1971 (Mars 3, bien que le premier atterrissage sur Mars ne fut réalisé que par Viking 1 en 1976), Éros en 2001 (NEAR Shoemaker) et le satellite de Saturne Titan en 2005 (Huygens). L'orbiteur Galileo lâcha également une sonde dans l'atmosphère de Jupiter en 1995 ; la géante gazeuse ne possédant pas de surface à proprement parler, la sonde fut détruite par la température et la pression lors de sa descente. L'orbiteur Cassini subit le même sort sur Saturne, en 2017.

Exploration humaine

L'exploration humaine du Système solaire est pour l'instant limitée aux environs immédiats de la Terre. Le premier être humain à avoir atteint l'espace (défini comme une altitude de plus de 100 km) et à orbiter la Terre fut le cosmonaute soviétique Youri Gagarine le 12 avril 1961. Le premier homme à marcher sur une autre surface du Système solaire fut l'astronaute américain Neil Armstrong, qui atterrit sur la Lune le 21 juillet 1969. La première station orbitale pouvant héberger plus d'un passager fut le Skylab américain, qui accueillit des équipes de trois astronautes entre 1973 et 1974. La première station permanente fut la station spatiale soviétique Mir, qui fut occupée en continu entre 1989 et 1999, à laquelle succéda la station spatiale internationale, hébergeant une présence humaine dans l'espace depuis lors.

Vers une nouvelle planète ?

Article détaillé : Planète Neuf.

Le mouvement des objets de la ceinture de Kuiper pourrait être en réalité expliqué par l'influence d'une neuvième planète. En 2016, deux astronomes américains Mike Brown et Konstantin Batyguine, du California Institute of Technology, pensent avoir apporté les preuves de l’existence d'une nouvelle planète située au-delà de Pluton et évoluant autour du Soleil sur une orbite elliptique inclinée par rapport au plan de l'écliptique, avec une période de révolution de 15 000 ans. Selon eux, la probabilité d'une erreur serait de 0,007 %[131],[132],[133].

D'autres astronomes, Jakub Scholtz et James Unwin, avancent l'hypothèse que ce corps céleste serait en fait un trou noir[134].

Notes et références

Notes

  1. ↑ Au , 624 731 corps mineurs répartis comme suit :
    • dans le Système solaire interne (613 299 objets) :
      • 19 Atiras
      • 767 Atens
      • 4 954 Apollos
      • 4 173 Amors
      • 12 250 Hungarias
      • 9 908 aréocroisurs
      • 581 228 astéroïdes de la ceinture principale
    • dans le Système solaire externe (11 432 objets) :
      • 3 740 Hildas
      • 6 055 troyens de Jupiter
      • 462 centaures et objets du disque épars
      • 245 plutinos
      • 904 objets transneptuniens classiques
      • 26 autres objets transneptuniens.
  2. ↑ Stricto sensu, il n'y a qu'un « système solaire », notre système planétaire, puisqu'il n'y a qu'un « Soleil », notre étoile. La forme tout en minuscules est donc, au sens strict, suffisante. Cependant, les autres étoiles étant parfois, par analogie, appelées des « soleils », le nom de « système solaire » est de la même façon parfois employé dans un sens général pour signifier « système planétaire », ce qui explique que l'on trouve également « Système solaire » écrit avec une majuscule lorsqu'il désigne spécifiquement notre système planétaire.
  3. ↑ Un moyen mnémotechnique pour retenir les huit planètes par ordre de distance croissante avec le Soleil, est la phrase suivante qui comprend leurs huit initiales : « MEs Vieilles Tortues MArchent Justement Sur Un Ninja ». Source : David Louapre, Mais qui a attrapé le bison de Higgs ? ... et autres questions que vous n'avez jamais osé poser à haute voix, Éditions Flammarion, , p. 74.

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  132. ↑ « Le Système solaire s’offre une nouvelle planète! », sur Sputnik (consulté le ).
  133. ↑ « Le Système Solaire compte 8 planètes et non 9 », sur notre-planete.info (consulté le ).
  134. ↑ « Si la planète 9 est introuvable, c'est peut-être parce que... c'est un trou noir ! », sur Futura (consulté le ).

Voir aussi

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Bibliographie

Articles connexes

Catégorie d'objets du Système solaire
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Potentielles, dont (> 600 km)
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(liste)
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