Ch.IV. Centaures et Objects Transneptuniens E.Jehin 2009

Pluton et Charon - 1846 : prédiction de la position d’une nouvelle planète sur base des perturbations de l’orbite d’Uranus (par Urbain Le Verrier)  découverte de Neptune par J.G. Galle 5 jours + tard - Orbite d’Uranus encore perturbée par une autre planète X ? Recherches de 1906 à 1916 par Lowell, en 1915 (non reconnue) + 1929-1930 « blink comparator » (Tombaught, Flagstaff) - Headlines : +1000 noms proposés: Minerva, Cronus , Pluto (Venitia Burney 11 ans) Pluto : dieu romain des enfers, PL (Percival Lowell)  Disney, plutonium… 1978 : découverte du gros satellite Charon  masse de Pluton de 1 m (1931), 1/10 m (1948) à seulement 0.24% de la Terre  Voyager (1989) Neptune : plus besoin planète X - Origine : satellite de Neptune échappé ?  Kuiper Belt Object (KBO) 1992 Orbite causée par la migration de Neptune vers KB (modèle de Nice) capture de Triton  ~ 1000 objects comme Pluton à l’origine Clyde Tombaught q=29.3 ua Q=49.3 ua e=0.25 P=248 ans i=17° résonance 2:3 avec Neptune (~500 ans) mv ~ 15.0 (13.7 périhélie) , Ø = 0.07-0.11" Ø = 2300 km (m=18% lune) , volume = 0.66% terre Albedo = 0.49-0.66 (35% var., glace de méthane) σ ~ 2.0 g/cm3 (50-70% roches + 50%-30% glace) T ~ 45 K Surface : 98% N2 ice + CH4, CO ices Fine atmosphère (ocultation) : N2, CH4, CO Rotation : 6 jours 9h 1 gros satellite : Charon (1200 km) ~planète double (barycentre en dehors de Pluton), « tidal lock » + Nix and Hydra (2005) Ø ~ 80-90 km Meilleure image de Pluton (HST)

Spectre IR de Pluton : CH4 , N2, CO , H2O est aussi détectée Pluton et Charon 1.N2 – 2. H2O – 3. rock Corps différencié Spectre IR de Pluton : CH4 , N2, CO , H2O est aussi détectée mv ~ 15.0 (13.7 périhélie) , Ø = 0.07-0.11" Ø = 2300 km (m=18% lune) , volume = 0.66% terre Albedo = 0.49-0.66 (35% var., glace de méthane) σ ~ 2.0 g/cm3 (50-70% roches + 50%-30% glace) T ~ 45 K Surface : 98% N2 ice + CH4, CO ices Fine atmosphère (ocultation) : N2, CH4, CO Rotation : 6 jours 9h 1 gros satellite : Charon (1200 km) ~planète double (barycentre en dehors de Pluton), « tidal lock » + Nix and Hydra (2005) Ø ~ 80-90 km

Triton, un TNO ? Plus gros satellite de Neptune : KBO capturé ? ↔ Pluton Ø = 2704 km σ = 2.05 g/cm3 albédo = 0.7 Zones bleutées : dépots de glace Peu de cratères, surface jeune < 50 106 ans Surface : glaces de N2 (~55%), H2O (~25%), CO2 (~25%) + 0.1% CH4 (rouge) Fine atmosphère de N2 geysers (cryovolcanisme N2 , CH4 liquide) Corps différencié : noyau roche/métal, manteau H2O (~liquide ? décroissance radioactive), croûte H2O etc.

Nouvelle classification IAU XXVIth General Assembly 24 août 2006 «  The definition stinks, for technical reasons. » Alan Stern “ through this whole crazy circus-like procedure, somehow the right answer was stumbled on. It’s been a long time coming. Science is self-correcting eventually, even when strong emotions are involved.“ Mike Brown (découvreur de Eris) Pluton perd son statut de planète après 76 ans pour « être dégradée » au rang de planète Naine : (134340) Pluton Classification : Pluton est une planète naine, un plutoïde, un plutino, un KBO, un TNO …

Les centaures Astéroïdes glacés (mi-astéroïdes, mi-comètes), sur des orbites instables transitoires (temps de vie ~ < 107 ans  éjection du système solaire) entre Jupiter et Neptune (q>5.2 ua et a<30 ua) et qui croisent ou ont traversé l’orbite d’une planète géante. Origine dans la ceinture de Kuiper. - premier découvert 944 Hidalgo (1930), Chiron (1977)  famille 2060 Chiron, 60558 Echeclus, and 166P/NEAT pour q<5 ua : présence d’une coma transitoire  classification comète et astéroïde Le plus gros Chariklo ~260 km (taille moyenne des astéroïdes de la CPA), noyau bien plus gros que les comètes ~ 100 centaurs (Mars 2009) : http://www.cfa.harvard.edu/iau/lists/Centaurs.html centaures 95P/Chiron Deux groupes de « couleur » différente  composition de surface : space-weathering (ou activité cométaire) différence de composition à l’origine ? Instabilité orbite de Chiron

Phoebe (satellite de Saturne)

La découverte du premier TNO (1992) TNO = Transneptunian Object KBO = Kuiper Belt Object La découverte du premier TNO (1992)  confirmation de la « ceinture de Kuiper » prédite par les modèles de formation du Syst. Sol., sources des comètes à courte période (JFC)  KBO comme la plupart des TNO il circule entre 40 et 50 ua  famille des Cubewanos (« QB1’os ») mv > 20.0 (télescopes > 2 m), large CCD format, « blink » ~1300 TNO (mars 2009) … 70.000 de >100km entre 40-50 ua □ comets Δ centaurs ● plutinos 2:3 ● classical KBO (cubewanos+résonants) ● scattered-disk objects (SDO) 1992 QB1 découvert le 14 septembre 1992 par David Jewitt et Jane Luu (Hawaii) mag. 23.5 (1500x plus faible que Pluton) et à 41.2 ua Instantané du système solaire extérieur (4 mai 2009)

Les familles de TNO distribution des transneptuniens connus (jusqu’à 70 ua) Les objets sont classés en fonction de leur orbite en relation à celle de Neptune Résonance orbitale 2:3 : plutinos (Pluton), résonance 1:2 : twotinos (1:1 : troyens) (mais aussi 4:5,3:4 etc.) : en rouge - Les objets non affectés par Neptune connus sont : - les cubewanos, les plus nombreux (plus de 680), non résonants en bleu orbites ~circulaires entre 42 et 47 ua forment avec les plutinos les « objets classiques » CKBO (« cold disk » excentricité < 0.1) - les objets épars (SDO), résidant au delà de la résonance 1:2 , sur des orbites très excentriques (e>0.5) et fortement inclinées jusqu’à des distances moyennes > 500 UA en gris, forment le scattered disk (« hot disk »)

Les familles de TNO Excentricité (e) en fct du demi-grand axe (a) « hot population» « Cold population» Excentricité (e) en fct du demi-grand axe (a) Les objets > 50 ua ont tous des excentricités élevées, on ne trouve pas d’objets sur orbite circulaire > 50 ua bord « net » de la ceinture de Kuiper bord du disque d’accrétion de la nébuleuse solaire ? Limite trop abrupte et pas assez de masse (0.2 m) dans un tel disque pour former des Pluton  KB 100x plus massive dans le passé ?

Scénario de formation de la Ceinture de Kuiper Oort Cloud Ceintures de Kuiper extrasolaires Les TNO se forment à partir d’un disque dense aux voisinage des planètes géantes « la migration » des planètes perturbe fortement la distribution des TNO surtout à l’intérieur de l’orbite de Neptune Diffusion dans toutes les directions, orbites fortement inclinées et d’excentricité élevée (« hot population ») + formation du nuage de Oort (comètes) à 40-100 103 ua Les TNO à l’extérieur de l’orbite de Neptune moins perturbés, ils sont repoussés et capturés dans les zones de résonances (« cold population ») troncature du disque : fin de l’influence grav. de Neptune ou perturbation par le passage d’une étoile (~1000 ua) The orbits of the planets are shown in light blue and the current location of each object is marked by large dark-blue symbols. The current location of the minor bodies of the outer solar system are shown in different colors to denote different classes of object. Unusual high-e objects are shown as cyan triangles, Centaur objects as orange triangles, Plutoids (or Plutinos, objects in 2:3 resonance with Neptune) as white circles (Pluto itself is the large white symbol), scattered-disk objects as magenta circles and "classical" or "main-belt" objects as red circles. Objects observed at only one opposition are denoted by open symbols, objects with multiple-opposition orbits are denoted by filled symbols. Numbered periodic comets are shown as filled light-blue squares. Other comets are shown as unfilled light-blue squares. Dual-status objects are shown as minor planets. Large > 50 ua narrow ~ 30-50 ua

Instantané du Système Solaire externe ● classical KBO cubewanos ● plutinos 2:3 Corps éjecté de la ceinture de Kuiper : □ comètes JFC Δ centaures ● scattered-disk objects (SDO) The orbits of the planets are shown in light blue and the current location of each object is marked by large dark-blue symbols. The current location of the minor bodies of the outer solar system are shown in different colors to denote different classes of object. Unusual high-e objects are shown as cyan triangles, Centaur objects as orange triangles, Plutoids (or Plutinos, objects in 2:3 resonance with Neptune) as white circles (Pluto itself is the large white symbol), scattered-disk objects as magenta circles and "classical" or "main-belt" objects as red circles. Objects observed at only one opposition are denoted by open symbols, objects with multiple-opposition orbits are denoted by filled symbols. Numbered periodic comets are shown as filled light-blue squares. Other comets are shown as unfilled light-blue squares. Dual-status objects are shown as minor planets. Uranus Neptune

TNOs remarquables Plutinos (2:3) Cubewanos (CKBO) Comparaison de taille, albédo et des couleurs des grands transneptuniens TNOs remarquables Plutinos (2:3) - Pluton (2300 km) et Charon + 2 satellites - Orcus (2004) ~900-1600 km, 1 satellite Ixion ~ 600-1060 km Cubewanos (CKBO) - (15760) 1992 QB1, qui a donné son nom à cubewano - Haumea (2003 EL61 , 2005), ~2000-2500 km, plutoïde remarquable pour ses 2 satellites, sa taille, sa rotation très rapide (3,9 h) et sa densité élevée (2,6-3,3 g/cm³) , plutoïde - Makemake (2005 FY9, 2005), ~1200-1800 km , plutoïde (planète naine) - Varuna (2001) ~ 1000 km - Quaoar (2002) ~ 1280 km, 1 satellite Objets épars (SDO) Scatered disk Objects (> 1:2) Éris (2003 UB313 , 2005), « déesse de la discorde » le plus grand transneptunien connu à ce jour (~2400 km), à ~100 ua (3x dpluton), « 10ème planète », 1 satellite (Dysnomia), plutoïde Sedna (2004), ~1200-1700 km remarquable par son orbite très excentrique l’amenant à ~ 950 ua du Soleil, périhélie 76 ua (11486 ans) , très rouge  toute une population plus lointaine ? 2006 SQ372, l'astéroïde possédant la plus grande aphélie connue (~2000 ua) Orcus en bleu, Pluton en rouge, Neptune en gris ; les positions datent d'avril 2006). Orcus approche son aphélie (en 2019) pendant que Pluton a déjà passé son périhélie et descend vers l’écliptique. Eris et Dysnomia Plutoïde = planète naine transneptunienne (24/08/06)

Composition des TNO (photométrie et albédo) … Et grande diversité des albédos ! Grande diversité de couleur ! … Histogramme du gradient de réflectivité spectrale (S’) Gradient – (ou +) : objet bleu (ou rouge)  Soleil (=0) Pour S’ > 25% / 1000Å = ultrared matérial du gris  rouge profond (objets les + rouges du Syst. Sol.) Les variations de couleurs des KBO ↔ variations d’albedo comètes et troyens  KBO et centaures  sublimation des glaces à l’approche de Jupiter (centaures intermédiaires ?) Pluton et Hauméa (EL61) : surface de glace fraîche. Instabilité du matériel rouge ? diversité de la composition de surface ? Mais Pq ? (40K<T°<50K) « resurfacing model » : compétition entre collisions et rayons cosmiques, mais les gros KBO devrait être plus bleus Noyaux de comètes moins rouges  activité

Composition des TNO (spectroscopie) Les « Méthanoïdes » CH4 pur solide en surface, objets très brillants CH4 se sublime très vite à T° KB  très rapide pour les petits objects  methanoides = gros objets ? Sources actives (geysers) origine du CH4 ? Low T° and P  CO, CO2 . Solar nebula sous forme de clathrate (CH4 piégé dans une cage de cristaux H2O) ou chimie interne  geysers (Eris) (Makemake) Les spectres IR de Pluton, Eris et Makemake (et Triton) sont semblables et dominés par la glace de méthane (CH4)

Composition des TNO (spectroscopie) Les « Méthanoïdes » CH4 pur solide en surface, objets très brillants CH4 se sublime très vite à T° KB  très rapide pour les petits objects  methanoides = gros objets ? Sources actives (geysers) origine du CH4 ? Low T° and P  CO, CO2 . Solar nebula sous forme de clathrate (CH4 piégé dans une cage de cristaux H2O) ou chimie interne  geysers (Eris) (Makemake) Les spectres IR de Pluton, Eris et Makemake (et Triton) sont semblables et dominés par la glace de méthane (CH4) « Water worlds » glace de H2O détectée à la surface de bcp de TNO et centaures (+ Charon) glace H2O stable (« bed rock ») absorption à 1.5 et 2 μm  signature H2O 1.65 μm H2O à l’état cristallin  T° ~ 100K (or T°~50K  glace amorphe par irradiation ~< 107 ans !)  pq cristallin ? cryovolcanisme, impacts de micrométéorites dégage la surface (Haumea) (Quaoar)

Tailles, albedo et couleurs des principaux KBO Eris (2003 UB313) : Albédo de l’ordre de 0.6 à 0.86 . Diamètre de 2400-3000 km. Surface couverte de méthane pur (+ azote ?). Période orbitale: 560 ans ( i: 44°). Makemake (2005 FY9) : Albédo d’environ 0.6. Diamètre de l’ordre de 1800 km. Surface couverte de méthane pur. Période orbitale: 307 ans (i: 29°). Haumea (2003 EL61) : Albédo supérieur à 0.6. Diamètre de l’ordre de 2000 km. Surface couverte de glace d’eau cristalline. Forme allongée. Période orbitale: 285 ans (i: 28.2 °). Rotation: 4 heures. Pluton: Albédo: de l’ordre de 0.6. Diamètre: ~2350 km. Surface couverte de méthane (pur et dilué dans l’azote), azote et CO solides. Charon: Albédo de l’ordre de 0.4. Diamètre: ~1208 km. Surface couverte de glace d’eau cristalline. Neptune