Petits corps système solaire - Olympiades de Physique France

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O l y m p i a d e s d e P h y s i q u e 2 0 0 8
Comment étudier les
Petits Corps du Système
Solaire en restant sur
Terre ?
J e a n n e r o d F l o r i a n / T i s s o t S y l v a i n
A c a d é m i e d e B e s a n ç o n
P o n t a r l i e r / L y c é e X a v i e r M a r m i e r

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Résumé
Les Petits Corps du Système Solaire : une appellation bien vague pour la plupart des gens.
Mais il s’agit tout simplement de tout ce qui compose notre Système Solaire si l’on met de coté le
Soleil lui-même et les planètes. Il reste une myriade de corps allant de plusieurs milliers de
kilomètres de diamètre jusqu’à des particules invisibles à l’œil nu, les micrométéorites. L’étude de
ces corps est primordiale si l’on veut percer les mystères de nos origines, car les scientifiques ont
retrouvé à l’intérieur de nombreux acides aminés, les composants de base de l’ADN, donc de la vie !
Mais si ces corps auraient pu donner la vie, ils peuvent aussi la reprendre : par exemple on retrouve
dans le sol une couche géologique fine, composée d’organismes carbonisés et d’éléments
caractéristiques de débris extraterrestre, et la datation de cette couche correspond à la période
d’extinction des dinosaures… si une telle catastrophe se reproduisait, l’humanité n’y survivrait pas.
Ainsi l’étude de la trajectoire des plus gros Petits Corps doit être réalisée si l’on veut déceler
d’éventuelles menaces pour notre planète.
L’an passé, nous nous étions déjà intéressés aux micrométéorites lors des Travaux Personnels
Encadrés. Cela nous avait donné l’occasion d’approcher ce domaine, et cette année pour les
Olympiades de Physique, nous nous sommes vraiment investis dans le projet en lui donnant plus de
rigueur et en l’élargissant à l’étude des astéroïdes.
Ainsi dans un premier temps nous avons essayé de récolter des micrométéorites, car il en tombe des
milliers de tonnes par an sur Terre :
• Les micrométéorites tombant dans notre atmosphère et étant entrainées au sol par la pluie,
nous avons observé sans résultat le fond d’un récupérateur d’eau de pluie.
• Ensuite nous avons réalisé un tri magnétique de l’eau de pluie ruisselant d’une bâche nylon
tendue à l’extérieur, mais là encore, aucune poussière cosmique
• La troisième expérience fut la bonne, en appliquant ce tri magnétique à l’eau collectée sur
une plus grande surface comme un toit, et là de nombreuses sphérules (forme caractéristique
des micrométéorites) étaient présentes.
• Une autre méthode consistait à balayer de la neige dans un champ avec un ‘traineau
magnétique’ récupérant toutes les particules ferreuses à la surface, mais rien ne fut trouver.
• Pour finir, la fonte de ce manteau neigeux a enfin révélé les sphérules recherchées.
Une fois triées et réparties en catégories, la comparaison de nos sphérules avec celles trouvées en
Antarctique par les scientifiques montre une ressemblance flagrante, mais une fois notre flux de
micrométéorites calculé, il était supérieur d’un facteur 10
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à celui calculé par les scientifiques, rien
qu’en prenant en compte les sphérules que nous avons classé dans la catégorie « ferreuses », signe
que nos sphérules ne pouvaient êtres toutes des micrométéorites. Nous les avons donc fait analyser,
et en effet nombre de nos sphérules étaient de la pollution. Quant à celles restantes, rien ne nous
permet de dire si elles sont extraterrestres ou terrestres d’après l’analyse de surface. Il aurait fallu
réaliser des coupes transversales, mais cela était trop onéreux.
Le deuxième point sur lequel nous avons travaillé a été la photométrie d’astéroïde, c'est-à-dire
la détermination de la période de rotation de ces corps grâce à leur luminosité. Nous avons créé un
modèle mathématique pour observer la courbe de lumière que nous aurions obtenu avec un astéroïde
ellipsoïdal parfait. Et en le confrontant avec une simulation faite avec des pommes de terre, nous
avons constaté que les deux expériences coïncidaient : cela nous a permis de nous lancer dans
l’observation au télescope de l’astéroïde 349 Dembowska, dont nous avons retrouvé la courbe de
lumière correspondant à une ellipsoïde, et la période trouvée correspond bien à la rotation officielle.
Nous espérons que notre sujet vous intéressera tout comme il nous a passionnés.
Bon voyage !

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Plan
Résumé………………………………………………….p2
Introduction…………………………………………………………p 4
I°) Que sont ces petits corps ?..........................................p 4
-1 Récapitulatif de la formation du Système
Solaire…………………………………………….p 4
-2 Répartition de quelques Petits Corps......................p 5
II°) Une méthode d’étude, les micrométéorites………....p 6
-1 Récoltes de micrométéorites……………………...p 6
-2 Observation et exploitation des échantillons……..p 9
-3 Comparaison avec d’autres échantillons…………p12
III°) Photométrie d’astéroïde …………………………..p21
-1 Simulation mathématique d’astéroïde…………....p20
-2 Une analogie avec une pomme de terre………….p22
-3 Photométrie réalisée sur l’astéroïde 349
Dembowska………………………………………p24
Conclusion……………………………………………...p27
Annexe………………………………………………….p28
Bibliographie…………………………………………...p31

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Depuis notre Terre, le restant du système solaire nous paraît lointain et étranger, et nous avons
les plus grandes difficultés à l’explorer, tant sur le plan financier que technique.
Alors comment pourrions-nous faire pour étudier les Petits Corps du Système Solaire tout en
restant sur Terre, et ceci à notre niveau ?
Dans un premier temps nous allons définir ces corps et les situer dans le Système Solaire de
manière à avoir une base de connaissance. Puis nous verrons différentes tentatives pour essayer de
récolter des débris de ces astres sur Terre sous la forme de micrométéorites. Et enfin, comme des
échantillons ne suffisent pas à rendre compte d’un corps dans sa globalité, nous passerons du
microscopique au macroscopique avec l’observation d’un astéroïde et les problèmes que cela
engendre, dans le but d’en déterminer la rotation.
I°) Que sont ces petits corps ?
-1 Récapitulatif de la formation du Système Solaire
Il y a 4,6 milliards d’années, un nuage
de gaz interstellaire s’effondra sur lui-même,
et à cause de sa propre gravité, il se condensa
en ‘grumeaux’ comme ceux visibles sur
l’image (1). Et ces grumeaux ont fini par
donner naissance à des étoiles, dont notre
Soleil.
Ensuite les poussières restantes se stabilisent
autour du Soleil sous la forme d’un disque
‘protoplanétaire’ de plus en plus fin, voir
l’image (2).
A cause de la chaleur de notre étoile, le gaz ne
peut subsister à sa proximité, il va donc
migrer vers l’extérieur du Système, tout
comme les glaces qui se subliment, laissant
majoritairement des roches dans la partie
interne, représentées en brun sur le schéma
(3).
Puis à cause de leur gravité, roches, glaces, et gaz s’agglomèrent pour donner des embryons de
planètes, les ‘planétésimaux’ qui étaient au nombre d’une centaine. Mais perturbations
gravitationnelles, excentricité, et vitesses relatives généralement dissemblables font que ces
planétésimaux se percutent violement : leur énergie cinétique se transformant en chaleur, les
aggloméras se réchauffent et fondent (4) si bien que les matériaux qui les composent migrent suivant
leur densité : c’est la différentiation (5).

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-2 Répartition de quelques Petits Corps
Les Petits Corps du Système Solaire sont, d’après la nouvelle définition de l'Union
Astronomique Internationale, tous les corps autres que les Planètes, les Planètes Naines et les
satellites. Donc les astéroïdes en font partie.
En 1772, l’astronome
allemand Johann Elert Bode
confirma une loi du mathématicien
Johann Titius, qui indique un
moyen approximatif de calculer les
distances relatives des planètes au
Soleil : c’est la Loi de Titius-Bode.
R = 0,4 + 0,3x2
n
Avec R correspondant à la
distance planète/soleil en unité
astronomique, et n le rang de la planète en prenant 1 pour la Terre. Grace à cette loi, Bode s’est
aperçu que le rang 3 n’était pas attribué, il y avait une lacune. C’est pourquoi il soupçonna
l’existence d’une planète non encore découverte. C’est l’astronome sicilien Giuseppe Piazzi qui
combla ce vide le 1
er
janvier 1801 avec la découverte de Céres dont il calcula la distance au soleil,
2,8 UA, ce qui correspond bien à la loi de Titius-Bode.
Quelle fut sa surprise en découvrant que Cérès n’était pas le seul objet gravitant entre Mars et
Jupiter ! Il ne s’agissait plus d’une planète, mais d’une multitude de corps : les astéroïdes.
Environ 90 000 astéroïdes sont recensés à l'heure actuelle dans cette zone nommée Ceinture
Principale. Leurs tailles varient de la centaine de mètres au millier de km pour Cérès, le plus gros
d'entre eux. Viennent ensuite Vesta et
Pallas. On estime à environ un million le
nombre d'astéroïdes de plus de 1 km de
diamètre. Mais la masse totale de ces
objets est seulement de l'ordre de 1/1000
de celle de la Terre.
Dans la Ceinture Principale, les
collisions sont extrêmement violentes et
généralement destructrices. On estime que
les astéroïdes subissent une collision tous
les milliards d'années : ils se disloquent et
des morceaux peuvent même se diriger
vers la Terre… en entrant dans notre
atmosphère, ils deviennent des ‘météores’
ou ‘météorites’. Ces dernières sont donc
représentatives de la composition chimique
différentiée des astéroïdes : 93% d’entre
elles sont de nature pierreuse, et les 7%
restants sont soit entièrement métalliques,
soit pierreuses/métalliques.