Comment se sont formées les curieuses lunes d’Uranus ?
Les caractéristiques particulières des lunes d’Uranus font l’objet de débats en astronomie depuis des décennies. En utilisant des superordinateurs de pointe et une expertise interdisciplinaire, des chercheurs de l’Université de Zurich (UZH), qui font partie du Pôle de recherche national (PRN) PlanetS, proposent une réponse détaillée dans une nouvelle étude.
Uranus (et ses satellites) sont inclinés latéralement. Image: ESA/Hubble & NASA, L. Lamy/Observatoire de Paris
Il existe une planète dans notre système solaire qui ne suit pas la chorégraphie des autres. Alors que la plupart des planètes tournent horizontalement autour de leur axe, Uranus est inclinée sur le côté et tourne verticalement. Il en va de même pour les lunes de cette planète géante et riche en glace, qui présentent en outre une répartition inhabituelle de leur masse. Les raisons de ces particularités font l’objet d’un débat permanent en astronomie. Dans une nouvelle étude, publiée dans la revue Icarus, des chercheurs de l’Université de Zurich et du PRN PlanetS proposent une réponse détaillée.
Une violente histoire
Christian Reinhardt est chercheur postdoctoral à l’université de Zurich et membre du PRN PlanetS. Image: courtesy of Christian Reinhardt
Contrairement aux lunes d’autres planètes, comme par exemple celles de Jupiter, les cinq plus grandes lunes d’Uranus augmentent en masse avec la distance à leur hôte. La lune la plus éloignée étant environ 100 fois plus massive que la plus proche. “C’est assez contre intuitif”, comme l’explique Christian Reinhardt, coauteur de l’étude, chercheur à l’UZH et membre du PRN PlanetS. “Les lunes se forment généralement à partir d’une accumulation de glace et de roches en forme de disque, dit circumplanétaire, en orbite autour d’une planète. Au fil du temps, la matière s’agglomère jusqu’à ce qu’elle finisse par former des lunes. Comme une toupie, la masse d’un tel disque se concentre vers son centre. Ainsi, on ne s’attendrait pas à ce que les lunes qui se forment près du centre soient moins massives que celles qui se trouvent plus loin”, explique Reinhardt.
L’origine de la répartition de la masse des lunes d’Uranus a donc laissé les astronomes perplexes. Une théorie veut que l’impact d’un grand corps céleste ait créé de grandes quantités de débris qui sont restés en orbite autour de la planète dans un disque, d’où les lunes ont finalement émergé. Cette théorie de l’impact est également soutenue par le fait qu’Uranus est inclinée sur le côté, ce qui est très difficile à expliquer sans un impact dans l’histoire de la planète, comme le souligne Christian Reinhardt.
Illustration artistique de la formation des plus grandes lunes d’Uranus. Image: Tobias Stierli
Puissance de calcul et expertise interne
Pourtant, il a été très difficile de déterminer à quoi cet impact a pu ressembler et comment il a conduit à la formation de lunes présentant cette distribution de masse particulière. Une réponse complète ne pouvait venir qu’en racontant l’histoire détaillée d’Uranus et de ses lunes au fil du temps, depuis l’impact jusqu’à l’état actuel. C’est exactement ce que l’équipe a fait.
“Avec l’aide du superordinateur Piz Daint du Centre suisse de calcul scientifique (CSCS) de Lugano et l’expertise interdisciplinaire de l’équipe de recherche de l’UZH, nous avons pu modéliser de manière très détaillée l’évolution d’Uranus et des débris consécutifs à l’impact et à la formation des lunes.
Jason Woo est chercheur postdoctoral à l’Université de Zurich et membre du PRN PlanetS. Image: courtesy of Jason Woo
Les résultats suggèrent qu’un impact rasant d’un objet environ trois fois plus massif que la Terre aurait incliné Uranus et créé un disque de débris autour d’elle, à partir duquel les lunes se sont formées”, explique Jason Woo, premier auteur de l’étude, chercheur à l’UZH et membre du NCCR PlanetS. Les simulations ont permis aux chercheurs d’apprendre que la distribution de masse particulière est due à des différences dans l’évaporation de la glace au fil du temps. Comme l’explique Jason Woo, “l’impact colossal a généré beaucoup de chaleur”. Par conséquent, la planète et tout ce qui se trouvait à proximité sont devenus très chauds. Tous les débris de glace de la planète se sont rapidement évaporés. Plus loin, les températures n’ont pas augmenté autant et une plus grande partie de la glace est restée gelée et a continué à graviter autour de la planète. Ainsi, la glace était disponible là comme matériau pour la formation des lunes en plus des roches. Cela a permis aux lunes d’acquérir leur composition approximativement mi-roche, mi-glace. Avec le temps, les choses se sont refroidies et la glace s’est à nouveau condensée plus près de la planète. Mais comme il y avait plus de glace et donc plus de matière plus loin, les lunes éloignées ont eu plus de temps pour accumuler de la matière et donc pour grossir”, explique Woo.
“Uranus, et les planètes glacées géantes en général, ne sont pas encore bien étudiées, bien que les observations montrent que les planètes de taille similaire sont assez courantes. Nos résultats nous confortent dans l’idée qu’Uranus a effectivement été frappée par un objet massif à un stade avancé de sa formation et que cela a conduit à la formation de ses plus grosses lunes. Notre approche interdisciplinaire s’est avérée fructueuse pour aborder les questions difficiles de la formation des planètes ou des lunes et pourrait nous aider à mieux comprendre certaines des autres planètes du cosmos”, conclut Christian Reinhardt.
Reference: Did Uranus’ regular moons form via a rocky giant impactor?
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