Étude des comètes avec le Télescope TRAPPIST-Nord

Étude des comètes avec le Télescope TRAPPIST-Nord
Moulane Youssef
Thèse en co-tutelle entre :
Le Laboratoire de Physique des Hautes Énergies et d’Astrophysique
Université Cadi Ayyad-Marrakech
et l’Institut d’Astrophysique de Liège
Sous la direction de : Benkhaldoun Zouhair et Emmanuel Jehin
[email protected]
Résumé
Les comètes sont des planétésimaux les mieux conservées de la nébuleuse solaire primitive. Ce statut d’astres fossiles leur confère un rôle unique pour comprendre les origines du système solaire.
Le succès de la mission spatiale Rosetta est en train de d’améliorer nos connaissances sur les comètes. Les observations depuis le sol sont aussi importantes : elles permettent de compléter les
données in situ en obtenant des informations sur une échelle de temps plus grande, et pour un bien plus grand nombre de comètes, ce qui est nécessaire pour extrapoler les résultats à l’ensemble de
la population cométaire. Le lien entre la composition des comètes et leur histoire dynamique doit ainsi toujours être clarifié et une classification complète est toujours manquante.
1. Introduction
L’étude des petits corps du système solaire est d’une grande actualité aujourd’hui. Il permet de
mieux cerner la naissance du système solaire. Les comètes en particulier, ont joué un rôle es-
sentiel non seulement au cours du processus de formation, mais peut-être aussi dans l’évolution
biologique de notre vie à partir de l’hypothèse de l’origine d’eau sur Terre. Lorsqu’elles s’ap-
prochent du soleil (à 5 UA environ), leur température de surface augmente et la glace d’eau
commence à se sublimer de plus en plus vite, deux queues commencent à se former à cause de
la pression de radiation solaire et l’interaction rayonnement-matière. Cette activité cométaire per-
met d’étudier les propriétés physico-chimiques, les conditions de naissance, utilisant différents
modèles élaborés pour comprendre l’évolution de notre univers.
2. Les comètes
Les comètes sont des petits corps célestes, d’un diamètre de l’ordre de quelques kilomètres,
constitué essentiellement de glace d’eau et de roches. Comme les planètes, elles sont soumises
au champ de gravitation solaire. Elles se déplacent sur des orbites très excentriques, qui les em-
mènent, dans certains cas, à de très grandes distances héliocentriques, au-delà de l’orbite des
planètes géantes.
2.1 Origines des comètes
Nos connaissances actuelles sur l’origine des comètes
indiquent que celles-ci proviennent de deux grands réser-
voirs différents : le nuage d’Oort et la ceinture de Kuiper.
Le premier réservoir entoure notre système solaire. C’est
le nuage d’Oort, du nom de l’astronome néerlandais Jan
Oort, il suppose une contradiction apparente : les co-
mètes sont détruites par plusieurs passages par le sys-
tème solaire interne. Pourtant si les comètes que nous
observons existaient depuis l’origine du système solaire,
toutes auraient été détruites à ce jour.
Il doit donc exister une source de nouvelles comètes. De plus, les calculs orbitaux d’Oort mon-
traient que de nombreuses comètes à très longue période et à inclinaison aléatoire s’éloignent
du Soleil à des distances comprises entre 20000 et 100000 unités astronomiques, aux limites de
la sphère d’influence gravitationnelle du Soleil. Ce nuage fournit les comètes à longe période
c’est-à-dire leur période de révolution supérieure à 200 ans.
La ceinture de Kuiper est le deuxième réservoir de comètes. On peut la représenter comme un
tore, entourant le plan de notre système solaire, et qui se serait formé en même temps que celui-
ci au-delà de Neptune. L’unique explication alternative était celle d’un autre "réservoir", bien plus
proche du soleil et ayant une forme aplatie écliptique. La ceinture d’Edgeworth-Kuiper devient
donc l’hypothétique réservoir des comètes à courte période c’est-à-dire leur période de révolu-
tion est inférieur à 200 ans.
2.2 Morphologie des comètes
En s’approchant du Soleil, les comètes s’entourent d’une
coma et de deux queues distantes se développant dans
la direction opposée au Soleil. Lorsque la comète se
rapproche du Soleil, le rayonnement reçu de celui-ci ré-
chauffe sa surface. Dès que la température est suffisante,
les gaz congelés dans le sol se subliment et emportent
avec eux des particules solides. Ces gaz et poussières
ainsi éjectés forment autour du noyau une atmosphère
instable que l’on appelle la coma. L’influence du rayon-
nement solaire y est différente selon la masse des parti-
cules.
Les observations réalisées ont montré que les comètes sont en majorité constituées d’eau, , mais
aussi d’autres éléments volatils présents dans le noyau comme CO2,CO,HCN ,CH3OH,CS2,
H2Set même certaines molécules carbonées complexes, briques essentielles pour la vie. Dans
la (coma), les molécules ont une duré de vie limité car elles sont photo-ionisé ou photo-dissocié
par le rayonnement solaire en créant des ions comme H2O+et CO+, des radicaux comme OH,
SO,CS ou des atomes comme l’oxygène et l’hydrogène. Les trajectoires des comètes connues
sont généralement fortement elliptiques, les faisant passer périodiquement à proximité du Soleil.
Le dégazage des composants légers (eau, gaz carboniques essentiellement) conduit alors à la
formation d’un nuage de poussières (coma) qui peut s’étendre sur des distances considérables,
pour former une queue, sous l’effet de la pression de radiation et du vent solaire.
La production de ces particules (molécules, radicaux, atomes ...) est due à plusieurs mécanismes
d’interaction et de collision des particules, d’une part avec le rayonnement solaire et d’autre part
entre eux. Le tableau 1 présente les exemples des différents types de mécanisme dans la coma
interne.
Processus Exemple
Photodissociation HCN +hν −→ H+CN
Photoionisation C+hν −→ C++e
Choc électronique CO +e−→ CO++ 2e
Réaction ion-neutre H2O++H2O−→ H3O++OH
Recombinaison dissociative CO+
2+e−→ CO +O
Réaction neutre-neutre N+OH −→ N O +H
TABLE 1: Processus de production des particules(molécules, atomes, ions)
3. TRAPPIST-Nord
3.1 Thématique
TRAPPIST-Nord (TRAnsiting Planets and
PlanetesImals Small Telescope) est un projet
dirigé par le groupe "Origines Cosmologiques et
Astrophysiques"(OrCA) relevant du Département
d’Astrophysique, de Géophysique et d’Océanogra-
phie (AGO) de l’Université de Liège (Belgique),
en étroite collaboration avec l’Observatoire Uni-
versitaire Cadi Ayyad (OUCA). TRAPPIST-Nord
est dédié à la détection et la caractérisation des
planètes en orbite autour d’autres étoiles que notre
Soleil (exoplanètes) et à l’étude des comètes et
autres petits corps de notre système solaire. Il s’agit
d’un télescope robotique de 60 cm de diamètre
et sera installé prochainement à l’Observatoire
d’Oukaimden (Avril 2016).
3.2 Instrumentations
Instrument Élément Caractéristique
Modèle Astelco RC Télescope
Type Ritchey-Chretien
Télescope Diamètre 60 cm
Rapport focal F/8
Poids 75 kg
Modèle Astelco NTM-50
Type Equatoriale allemande
Monture Vitesse 50 deg/sec
Précision du suivi 1 arcsec/10 min
Poids 85 kg
Modèle FLI ProLine PL3041-BB
Type Fairchild Imaging 3041
Caméra CCD Taille 2048 x 2048 pixels
Refroidissement -55 ◦C
Poids 3 kg
Modèle Apogee AI-FW50-10S
Type Filtres carré de 50 mm
Épaisseur 7 mm
Filtres Filtres (roue 1) Exoplanet Filter Exo
Filtres (roue 2) Filtres cométaires
Poids 2.3 kg
TABLE 2: Instrumentations du TRAPPIST-Nord
4. Objectif de thèse
Ma thèse de doctorat se focalisera sur la mise en place et la gestion du programme comète du
programme TRAPPIST, et sur l’exploitation scientifique des données résultantes en coordination
avec l’équipe de Liège (Institut d’astrophysique de Liège). Cela inclura la sélection des cibles,
l’implémentation des plans d’observation, la réalisation des suivis photométriques et astromé-
triques des comètes visibles depuis l’hémisphère Nord. Pour les comètes relativement brillantes,
nous mesurons une fois par semaine les taux de production et la distribution spatiale de plusieurs
espèces gazeuses. D’après des observations quantitatives qui nous permettront de déterminer
le taux de production de poussière et de suivre les variations du taux de production de chaque
gaz en fonction de la distance héliocentrique. Ainsi nous pourrons déterminer les compositions
chimiques des comètes et la classe à laquelle elles appartiennent. Cela apportera d’importantes
informations sur la nature des comètes. Les courbes de lumière extraites de ces données per-
mettront d’évaluer la quantité de poussières et de gaz d’une comète donnée. Toutes ces données
seront publiés et viendrons enrichire la littératures scientifique dans ce domaine.
Références
[1] C. Arpigny. Modèles cométaires : Noyau, coma et queues. Ciel et Terre, Vol. 101, 159-180,1985
[2] N. Biver. La spectroscopie cométaire. EAS, EDP Sciences, Vol. 47, 165-188, 2011.
[3] A’Hearn et al. Comet bowell 1980b. The Astronomical Journal, Vol. 89, 579-591, 1984.
[4] S. Grudzinska. L’abondance des ions CO+dans les queues cométaires. Annales d’Astrophysique, Vol. 23, 797-
801, 1960.
[5] L. Haser. Distribution d’intensité dans la tête d’une comète. Bulletin de l’Académie Royale de Belgique, Vol. 43,
740-750, 1957.
[6] Nicolas Biver, Molécules Mères Cométaires : Observations et Modélisations, 1997.
[7] Céline Laffont, Étude d’émissions gazeuses dans les régions de trois comètes : Halley, Hyakutake, Hale-Boppe,
1998.
[8] http ://www.orca.ulg.ac.be/TRAPPIST/Trappist_Main_Fr/Home.html
LPHEA 2016 Journée d’astrophysique