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Mercredis de Meudon 18 janvier 2006 Des siècles dobservations scientifiques : lémergence du concept moderne de comète Jacques Crovisier Observatoire de.

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1 Mercredis de Meudon 18 janvier 2006 Des siècles dobservations scientifiques : lémergence du concept moderne de comète Jacques Crovisier Observatoire de Paris

2 comète Hale-Bopp (C/1995 O1) comète Donati (C/1858 L1) J. Verne, Hector Servadac (1877) comète Donati (C/1858 L1) Guillemin, Les Comètes (1875) comète Hale-Bopp (C/1995 O1)

3 La prétendue « comète dAmbroise Paré » Peter Creutzer Prospectus 1527 Pierre Boaistuau Histoires prodigieuses 1560 Ambroise Paré Les Monstres 1573 Camille Flammarion Astronomie Populaire 1880

4 Pourquoi étudier les comètes ? le curieux : qu'est-ce qu'une comète ? comment ça marche ? le physicien : un laboratoire d'exception l'astronome : un test de la théorie de la gravitation une clé pour comprendre l'origine du Système solaire l'astrobiologiste : les relations comètes Terre un apport de molécules prébiotiques un danger potentiel

5 Les grandes dates de la science des comètes I 1531 P. Apian et J. Fracastor observent que les queues des comètes sont opposées au Soleil Tycho Brahé et d'autres observateurs mesurent la parallaxe de la comète de 1577, établissant qu'elle est plus loin que la Lune, alors que l'on croyait que les comètes étaient des phénomènes atmosphériques. ca 1600 J. Kepler propose ses fameuses lois, qui permettront de comprendre les orbites cométaires I. Newton calcule l'orbite de la comète de 1680 et montre qu'elle a décrit une parabole autour du Soleil E. Halley réalise que les comètes de 1531, 1607 et 1682 sont un seul et même objet et prédit son retour pour Le retour de la comète de Halley est effectivement observé comme prévu H.W.M. Olbers, puis F.W. Bessel en 1836 proposent que les queues de comètes sont constituées de particules solides repoussées par le Soleil F. Arago mesure la polarisation de la comète de 1819, établissant ainsi qu'elle réfléchissait la lumière du Soleil et n'était pas un objet lumineux par lui-même Les premières photographies d'une comète, C/1858 L1 (Donati), sont prises par W. Usherwood et W.C. Bond Première observation spectrale d'une comète, la comète C/1864 N1 (Tempel) par G. Donati J.V. Schiaparelli relie l'essaim météoritique des Perséides à la comète 109P/Swift-Tuttle Premier spectre photographique d'une comète, la Grande comète C/1881 K1 par W. Huggins. ca 1900 Plusieurs chercheurs, comme H. Deslandres et F. Baldet à l'Observatoire de Meudon, identifient les bandes observées dans les spectres cométaires à des radicaux et ions observés dans des spectres de laboratoire.

6 Les grandes dates de la science des comètes II ca K. Wurm puis P. Swings proposent que les radicaux observés dans les comètes proviennent de molécules mères telles que l'eau, l'ammoniac, le méthane J.H. Oort, poursuivant les idées d'Öpik (1932), postule l'existence d'un réservoir de comètes vers unités astronomiques, source de comètes dynamiquement nouvelles: le nuage de Oort. ca 1950 G. Kuiper (et indépendamment K.E. Edgeworth vers 1948) postulent l'existence d'une ceinture d'objets trans-Neptuniens. ca 1950 F. Whipple propose son modèle de noyau cométaire en boule de neige sale. ca 1950 P. Swings et ses collègues calculent à Liège des spectres synthétiques de fluorescence moléculaire reproduisant fidèlement les spectres des comètes L. Biermann suivi par H. Alfvén (1957) émettent l'hypothèse de l'existence d'un vent solaire pour expliquer les queues d'ions des comètes L'apparition de la comète C/1973 E1 (Kohoutek) est l'occasion d'une campagne d'observation internationale conjuguant moyens spatiaux et instruments au sol, préfigurant les campagnes d'observations modernes comme celle de la comète de Halley Exploration spatiale de la comète de Halley, appuyée par une importante campagne d'observations au sol (International Halley Watch) J. Luu et D. Jewitt découvrent le premier objet trans-Neptunien 1992 QB La chute de la comète Shoemaker-Levy 9 sur Jupiter est observée Les grandes comètes C/1996 B2 (Hyakutake) et C/1995 O1 (Hale-Bopp). Leurs observations ont conduit à d'importants résultats. Entre autres, la découverte d'une vingtaine de nouvelles molécules cométaires et la première détection d'une émission de rayons X par des comètes Nouveau départ de l'exploration spatiale des comètes avec le survol de 19P/Borrelly par Deep Space 1 en septembre 2001, le survol en janvier 2004 de 81P/Wild 2 par Stardust qui rapporte des échantillons de poussière en janvier 2006, le lancement de Rosetta en mars 2004, l'expérience Deep Impact sur 9P/Tempel 1 le 4 juillet 2005.

7 Les orbites cométaires

8 Halley, 1705, Phil. Trans. Roy. Soc. 24, 1882 Edmond Halley : Synopsis de lastronomie des comètes (1705) 1758 !!

9 Edmond Halley ( ) « He now talks, swears and drinks brandy like a see captain. » daprès Flamstead, 1703 (un rival envieux) Qui était Halley ?

10 Le monde des comètes Arago

11 Le catalogue des orbites cométaires Édition de mars 2003 du Catalogue of cometary orbits 2358 apparitions de 1642 comètes différentes. 274 orbites elliptiques de période < 200 ans : comètes à courte période 274 orbites elliptiques de période > 200 ans : comètes à longue période 910 orbites paraboliques 184 orbites hyperboliques : elles vont quitter notre Système solaire

12 Les queues des comètes

13 La nature des comètes

14 Les premiers atlas de formes cométaires Le Livre de soie (IVe siècle av. JC, Chine) Hevelius, Cometographia, 1668

15 Pierre Apian ( ) : les queues cométaires sont opposées au Soleil

16 Grande comète de 1881 photographie de J. Janssen à Meudon C/1995 O1 (Hale-Bopp) Cliché ESO Lère de la photographie astronomique

17 © N. Biver En marge des techniques modernes, il est toujours possible de dessiner les comètes

18 « Les astronomes classiques ont beau s'en excuser, ils font preuve d'une assez forte dose d'imagination lorsqu'ils admettent sans sourciller qu'il y ait là une colonne de vapeur réelle, au lieu d'y voir une simple illumination de l'éther, illumination d'un ordre spécial et d'une nature inconnue. » (Flammarion, 1881, La Nature, p. 227) H.W.M. Olbers (1812), puis F.W. Bessel en 1836 proposent que les queues de comètes sont constituées de particules solides repoussées par le Soleil. La nature des queues de comète Mais la controverse fait rage pendant une bonne partie du XIXe siècle

19 Le drapeau planté sur la Lune, flottant dans le vent solaire… un troisième type de queue est observé dans la comète Hale-Bopp : la queue de sodium on ne sait toujours pas doù provient le sodium cométaire ! continuum + ions continuum + sodium En 1951, L. Biermann, suivi par H. Alfvén en 1957, émettent l'hypothèse de l'existence d'un vent solaire pour expliquer les queues d'ions des comètes. La réalité du vent solaire sera confirmée plus tard par les sondes spatiales.

20 Giovanni Schiaparelli ( ) La connexion comètesétoiles filantes Léonides 1833 Léonides 2002 Les perséides et la comète 109P/Swift-Tuttle Les léonides et la comète 55P/Tempel-Tuttle

21 Poussières cométaires poussière interplanétaire prélevée dans la haute atmosphère par un avion stratosphériqueU2 taille : 10 m un grain récolté par la station orbitale MIR Taille : 5 m

22 Poussières cométaires 2 janvier 2004 : Stardust prélève des échantillons de poussière dans 81P/Wild 2 le retour de la capsule le 15 janvier 2006 particules piégées dans laérogel (simulation)

23 Les noyaux cométaires

24 Les noyaux cométaires : mythe ou réalité ? différentes représentations de noyaux cométaire (Donn, Weissman et al., ca 1980) « La question de savoir si les noyaux des comètes sont opaques ou diaphanes, sils doivent être considérés comme des corps solides ou comme de simples amas de vapeurs, est très-importante. » (F. Arago, 1853, Astronomie Populaire)

25 Les noyaux cométaires : mythe ou réalité ? ils existent : on les a rencontrés on les a vus ! on les a même touchés !

26 Les noyaux cométaires sont cependant des objets très fragiles : ils se cassent facilement Comète 3D/Biela (1846) 73P/Schwassmann-Wachmann 3 (1995) D/1993 F2 Shoemaker-Levy 9

27 La nature chimique des comètes

28 Une révolution : la spectroscopie [À propos des astres] « Nous concevons la possibilité de déterminer leurs formes, leurs distances, leurs grandeurs et leurs mouvements ; tandis que nous ne saurons jamais étudier par aucun moyen leur composition chimique, ou leur structure minéralogique… » (Auguste Comte, Cours de philosophie positive, tome 2, 1835) « Et cette analyse spectrale, peut-être plus admirable encore, puisquelle nous permet de faire lanalyse chimique dastres situés dans les profondeurs infinies du ciel comme sils étaient entre nos mains et dans nos creusets, en sorte que jai pu dire dans une lecture récente sur la Chimie céleste : Ô étoile ! envoie-moi un de tes rayons, jécrirai ton histoire. » (Jules Janssen, Science et Poésie, 1903, Annuaire du Bureau des longitudes.)

29 Premier spectre cométaire observé visuellement par G. B. Donati C/1864 N1 (Tempel) Donati, 1864, Astron. Nachr., 62, 375 Giovanni Donati ( } C/2001 A2 (LINEAR) réseau + caméra CCD © C. Buil

30 1868 : première identification des bandes démission cométaires par Huggins ( ) cellule à étincelles comète spectroscope échantillon de gaz lunette William Huggins ( )

31 Huggins, 1868, Phil. Trans. 158, 529 (adapté par Schellen) Soleil Carbone (huile dolive) Carbone (éthane) C/1868 L1 (Winnecke) 5D/Brorsen Spectre détincelle

32 Fernand Baldet ( ) observant au télescope Baillaud du Pic du Midi en 1909 Henri Deslandres ( ) Spectroscopie cométaire : lécole de Meudon Spectre de la comète C/1908 R1 (Morehouse) comparé à des spectres de laboratoire de la Baume Pluvinel & Baldet 1911

33 Spectroscopie visible contemporaine : 9P/Tempel 1 avec les télescopes de lESO

34 Détection de l'éthylène glycol (l« anti-gel ») dans la comète Hale-Bopp avec les radiotélescopes de l'IRAM et du CSO (Crovisier et al. 2004, A&A, 418, L35) La recherche de molécules complexes en radioastronomie millimétrique

35 Le phénomène comète

36 Mais les comètes ne suivent pas rigoureusement les lois de Kepler. Le calcul des perturbations gravitationnelles par les planètes géantes est un triomphe de la mécanique céleste newtoniène au XVIIIe siècle. Des écarts subsistent cependant : des effets non-gravitationnels sont présents ! « Comparons les intervalles entre les retours successifs de la comète d'Encke à son périhélie, en tenant compte de toutes les perturbations dues à l'attraction planétaire, et nous verrons que les périodes diminuent graduellement, c'est-à-dire que le grand axe de l'ellipse de la comète va toujours se raccourcissant dans une proportion lente, mais toujours régulière. Or, c'est précisément le cas qui doit avoir lieu si nous supposons que la comète subisse une résistance d'un milieu éthéré excessivement rare qui pénètre les régions de son orbite. » (Aventure sans pareille d'un certain Hans Pfaall, Edgar Poe, 1835) Johann Franz Encke ( )

37 En 1950, Fred Whipple ( ) proposa le modèle de la « boule de neige sale » pour représenter les noyaux cométaires et expliquer les forces non-gravitationnelles

38 Le modèle de Whipple explique également les forces non- gravitationnelles qui sexercent sur les noyaux cométaires.

39

40 Les familles de comètes : lévolution dynamique

41 Jan Oort ( ) Gerard Kuiper ( ) Ludwig Biermann ( ) le nuagele ventla ceinture

42 Vers les comètes : lexploration spatiale

43 Hector Servadac Jules Verne (1877) Palmyrin Rosette Les débuts de l'exploration spatiale des comètes

44 Deep Impact... …et la renaissance du Baltimore Gun-Club. © Jules Verne Impey Barbicane M.F. AHearn

45 L'Astronomie Sept. 2004

46 « La comète est le Deus ex machina ; toutes les fois quon est embarrassé en cosmographie, on appelle une comète à son secours. Cest lastre le plus complaisant que je connaisse, et, au moindre signe dun savant, il se dérange pour tout arranger ! » Jules Verne, Voyages et Aventures du Capitaine Hatteras, 1866

47 Pour en savoir plus : les comètes pour les nuls :

48 niveau étudiant


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