Comètes et Planète X

Cet article pose la question de la présence d'un corps gravitationnel massif à 120° d'inclinaison sur le plan de l'ecliptique par la présence d'un excès de densité cométaire dans le nuage d'Oort.

Un corps massif orbiterait-il loin des regards dans le nuage de Oort ? Le soleil aurait-il un compagnon sombre qui étendrait son influence sur les confins du système solaire ??

Questions souvent lues, entendues et qui prennent une résonnance plus particulière compte tenu de la montée des interrogations autour de 2012 & Co.

Une vue d'artiste en puissances de 10: le nuage de Oort se situe réellement très loin ! Approximativement, il est à une distance environ 100 fois supérieure à celle parcourue par les sondes Pioneer & Voyager. Il s'étendrait même jusqu'à 1 AL, c'est-à-dire à la limite gravitationelle du système solaire : au-delà, un objet du nuage de Oort serait attiré plus fortement par une autre étoile. Notez que l'héliopause qui correspond à la limite d'influence du vent solaire s'arrête bien avant.

Une autre vue d'artiste. Il n'existe pas de photo ni de représentation réellement fiable du nuage de Oort. Il est probablement sphérique et constitué d'un réservoir de comètes gelées, (inactives et invisibles). Il contiendrait de 1.000 à 2.000 milliards de comètes à environ 0,25 à 0,5 années-lumière (1.500 à 3.500 UA).

Ce compagnon sombre, parfois appelé Nibiru, Hercolubus ou encore planète X pourrait exister, cependant cette hypothèse est considérée à ce jour comme hautement improbable...

Le cas échéant, comment détecter un astre, si massif soit-il (peut-être plusieurs fois la masse de Jupiter), dans la mesure où il se situe à une distance considérable tout en émettant très peu de lumière ? D'un point de vue astromique la détection des naines brunes constitue un champ encore quasiment vierge de découvertes.

Pour résoudre cette question, il y a peut-être des pistes à explorer dans les anomalies de l'héliopause solaire (frontière entre la bulle de vent solaire appellée héliosphère et l'espace galactique). Encore que, cette frontière est peut-être encore bien trop proche de nous pour être capable de nous informer d'une activité aussi lointaine. A creuser...

Pour aller plus loin et, plus simplement (?), il nous suffit peut-être d'observer le comportement des lointains messagers qui nous proviennent de cette région: les comètes.

Bien sûr, cette idée/question de l'observation des comètes n'est pas neuve: elle rejoint une hypothèse que nous relevons souvent à propos de la planète X: en cas de rapprochement important, nous serions soumis à un intense bombardement cométaire, et ceci compte tenu d'un effet gravitationnel d'entrainement. A la façon d'un aspirateur géant entrainant tout sur son passage, (ou d'un autobus!), la Planète X emmenerait les corps gelés situés aux confins du Nuage de Oort et viendrait les déposer jusqu'au coeur du système solaire.

Cependant, cela n'arriverait probablement pas brutalement.

En effet, en admettant qu'un tel corps se rapprochant de nous (jusqu'à devenir dangereux) existe, il faudrait qu'il soit muni de paramètres orbitaux "extrêmes": soit une excentricité proche de 1 (lui permettant d'être resté "caché" jusqu'à présent), et d'une période orbitale très importante, de l'ordre de plusieurs milliers d'années.

Malgré cela, le franchissement du point de flexion le plus étroit de son orbite ellipsoïdale, (appellée périapse), prendrait au bas mot des dizaines d'années. Ainsi, si "quelque chose" devait arriver près de nous, (et selon certains cela se produirait aux alentours de fin 2012), nous devrions dors et déjà considérer que cette chose est déjà là! En d'autres termes, son influence gravitationnelle serait déjà quasi maximale actuellement. Effets de résonance mis à part, si l'on considère une influence possible sur le soleil.

De même, le cortège de comètes qui accompagnerait un tel phénomène (ou le suivrait) devrait déjà avoir pris le soleil comme nouvelle cible, car c'est bien ce dernier qui constitue le centre de masse le plus important de notre système.

Si donc, nous sommes devant un processus prenant des dizaines d'années pour s'accomplir, (lors du franchissement du périapse la vitesse d'un corps qui orbite devient minimale), alors nous pourrions peut-être déjà en observer les effets ? Et quid de l'effet d'entrainement à long terme qu'un tel corps aurait sur des comètes situées dans le nuage de Oort ?

En ce sens, une question qui parait naturelle (mais peut-être non pertinente) serait de savoir si nous pouvons dors et déjà observer un accroissement du nombre de comètes depuis la Terre.

Augmentation du nombre de comètes ?

Les découvertes de nouvelles comètes

Cette question est difficile à évaluer. Tout d'abord, la découverte de comètes est un phénomène à croissance exponentielle, ceci grace à la mise en service de systèmes de détection automatiques. Le graphique ci-après qui ne présente que les comètes périodiques donne une idée de la rapidité de cet accroissement :

Nombre de comètes classées comme "importantes" selon le logiciel RedShift découvertes par année (cumul). Nous pouvons supposer que la découverte de comètes non périodiques (comme C/2006 P1 McNaught présentée en image de fond) suit la même tendance.

Dans ce contexte, comment mesurer le véritable flux cométaire reçu ici sur Terre, c'est à dire indépendamment des moyens d'observation et de collecte de disponibles à l'instant T ?

Les comètes les plus brillantes (depuis 1936)

Une première idée consisterait à ne sélectionner que les comètes de premier ordre, c'est à dire les plus brillantes recensées et ayant pu faire l'objet d'observations à l'oeil nu (moyen d'observation presque atemporel). En l'occurrence celles ci-après proposées ont une magnitude inférieure à 4. En utilisant les données proposées sur une page de l'ICQ Comet (Harvard) Information Website, voyons ce que cela donne:

C = comète non périodique. P = comète périodique. Curieusement, les comètes les plus brillantes ont pour la plupart été des comètes non périodiques. Ceci devant s'expliquant peut-être par le fait que ces dernières sont plus nombreuses ?

Reporté sur un graphe :

Sur 80 années, (1936-2007), les comètes très brillantes se succèdent à un rythme approximatif d'une tous les deux ans. La corrélation linéaire est excellente. De ce point de vue on ne peut pas considérer qu'il y ait une augmentation significative du nombre de comètes ces dernières années. L'image de fond présente la comète C/1965 S1 Ikeya-Seki, possiblement la plus brillante observée ce dernier millénaire (magnitude -10).

Le graphique précédent est éloquent: l'accroissement du nombre de comètes observées se fait de façon quasi linéaire, ce qui signifie que le flux cométaire est constant.

Cela étant, si nous considérons les points précédemment relevés, à savoir (et toujours sous le "sceau" d'hypothèses!) :

• La Planète X aurait une période de rotation très importante - de l'ordre de plusieurs milliers d'années. Ce qui, afin d'observer un effet quantifiable sur la fréquence des comètes, induit l'utilisation de relevés sur des dizaines voire centaines d'années. Le jeu de données précédent serait donc trop restreint.
• La Planète X serait un corps massif, entrainant préférentiellement derrière lui des comètes. Celles-ci devraient donc, essentiellement se manifester après son éventuel passage.
• Néanmoins, et ce point est important, l'effet gravitationnel de la Planète X s'étendrait à une très grande distance et la force d'entrainement appliquée aux corps situés à proximité de son passage continuerait à s'exercer longtemps après. Cette force doit constituer une information résiduelle observable.

Ce qui peut finalement nous laisser un certain espoir de trouver une information utile/discriminante.

Alors, est-il possible de mieux qualifier les corps cométaires et afin de ne retenir que les comètes possiblement affectées ? En d'autres termes supprimer le bruit constitué par toutes les comètes qui ne proviendraient pas de la région du nuage de Oort et qui n'auraient pas été explicitement entrainées par le passage d'un tel corps.

Voyons comment nous pouvons faire (si nous pouvons...)

Trions les comètes

Exemples d'orbites caractérisées par différentes excentricités.

Un bon indicateur permettant de définir la typologie des comètes pourrait être l'excentricité. L'excentricité orbitale définit la forme des orbites des objets célestes. La forme générale est une ellipse, d'équation polaire (origine au foyer) : où e est l'excentricité. Ainsi l'excentricité (e) est strictement définie pour toutes les orbites comme étant circulaire, elliptique, parabolique ou hyperbolique en prenant les valeurs suivantes :

• pour les orbites circulaires : e = 0,
• pour les orbites elliptiques : 0 < e < 1,
• pour les trajectoires paraboliques : e = 1,
• pour les trajectoires hyperboliques : e > 1.

En quoi l'excentricité permet-elle de trier les corps orbitaux ? Assez simplement par le jeu des forces de gravitation, celles-ci s'excercant préférentiellement dans le plan de l'ecliptique elles contraignent les corps à respecter certaines plages de valeurs et excentricités, sous peine d'être éjectées du système solaire !

Ci-dessus graphique très instructif des inclinaisons orbitales, fonction de l'excentricité, pour les planètes (carrés), astéroïdes (cercles pleins) et comètes (cercles vides). Notez que les planètes ont en général une excentricité et une inclinaison faible, alors que la plupart des comètes ont une excentricité proche de 1. Comme indiqué ci-dessus, une excentricité égale à l'unité, signifie au sens strict que l'orbite n'est pas une ellipse, mais une courbe ouverte, une parabole. Au contraire, si l'excentricité est surpérieure à 1 l'orbite est elliptique.

Mais comment arrive t-on à obtenir de telles excentricités ?

Une excentricité exactement égale à l'unité survient quand l'énergie totale est nulle. Avec une telle énergie, un corps peut venir de l'infini , atteindre une certaine distance au soleil, puis retourner à l'infini à nouveau. Dans ce cas précis, lorsque le rayon tend vers l'infini, la vitesse devient arbitrairement petite. Basiquement, nous pouvons dire que la vitesse devient nulle à l'infini. Dans notre cas, "l'infini" est représenté par le nuage de Oort, situé à une distance suffisament importante du centre du système solaire pour parvenir à des vitesses initiales considérées comme effectivement faibles.

Si des corps provenant du nuage de Oort ont une courbure elliptique quasi parabolique, égale à 1, ou très légèrement supérieure à 1, cela doit signifier qu'ils avaient une vitesse initiale quasi nulle. Cela est compatible avec un faible effet d'entrairement causé par des forces gravitationnelles lointaines et donc plus homogènes (étoiles à proximité, nuages de gaz) ou bien une perturbation, plus tranchée car plus proche, et qui aurait creusé un sillon dans le nuage de Oort.

Et ce sont ces excentricités que nous devons trier:

• inférieure à 1, ce sont les comètes périodiques, capturées par le champ gravitationnel solaire ou par les planètes géantes. Elles orbitent "sagement" jusqu'à évaporation ou désintégration.

• proche de 1, cela consiste en réalité en des corps qui sont sur une orbite elliptique, mais à la limite de la parabole. Ils ont du être accélérés très progressivement et depuis très longtemps. Ils font partie du bruit qu'il faut supprimer puisque nous ne pouvons pas considérer qu'ils ont subi une accélération gravitationnelle récente (et donc qu'ils soient pertinents pour nous donner une indication sur la direction dans laquelle rechercher),

• légèrement supérieures à 1 : ce sont les excentricités qui nous intéressent, il s'agit d'orbites hyperboliques. La plupart de ces corps ont du subir une accélération relativement récente et ils vont sortir du système solaire à court terme - sauf s'ils sont repris par un autre corps massif. Il est dit qu'environ 10% des comètes ont des orbites hyperboliques, cependant le ratio relevé (cf. plus loin) apparait plus important, d'environ 15.5% (122/785).

• très supérieures à 1 : nous ne risquons, à moins de chance, guère d'en trouver ! Les corps subissant une perturbation gravitationnelle plus franche, quittent en effet l'influence du système solaire tout aussi rapidement.

Ce qu'il nous faut donc rechercher c'est le plan privilégié (inclinaison) dans lequel apparaissent les comètes para ou hyperboliques à l'excentricité très proche ou légèrement supérieure à 1. Ces comètes, avant d'éventuellement nous quitter, peuvent en effet nous informer d'un épisode récent. Si leur répartition est isotrope alors, bien sûr, il n'y aura pas de phénomène gravitationnel proche qui pourra être pris en compte, dans le cas contraire, la question sera posée.

Que nous disent les comètes hyperboliques ?

Il faut observer la direction de laquelle viennent ces comètes particulières et observer si leur flux est isotrope ou bien s'il existe la trace d'un sillon gravitationnel, fonction de l'inclinaison.

l'inclinaison d'un corps est l'angle entre le plan que son orbite occupe et le plan de l'ecliptique.

Comme cette fois-ci, comme nous ne posons plus d'hypothèses sur la fréquence d'observation, nous allons essayer de nous baser sur le plus grand nombre possible de comètes. Et, l'université de strasbourg dispose d'une petite base de données bien utile pour ce genre travail:

• ftp://cdsarc.u-strasbg.fr/pub/cats/B/comets/comets.dat

(Compte tenu de sa dimension, le tableau de valeurs utilisé n'est pas reporté).

Groupes de comètes selon l'excentricité et l'inclinaison

Tout d'abord, grâce à ces données, nous retrouvons assez simplement le résultat présenté dans le schéma plus haut, avec la simple différence que le nombre points utilisés est plus élevé et qu'il ne s'agit que de comètes:

Répartition de l'excentricité pour 785 comètes. 2 groupes principaux de comètes sé dégagent : d'une part, les comètes à la trajectoire ellipsoïdale (P) situées sur une inclinaison inférieure à 40°, d'autre part, les comètes à très forte excentricité, avec tous types d'inclinaison (C). Dans ce dernier groupe, les seules que nous allons sélectionner sont celles à trajectoire très excentrique, supérieure à 0.9999 (approximativement rectangle jaune)

Fonction de répartition des comètes (ensemble) selon leur inclinaison

Si nous observons la fonction de répartition en fonction de l'inclinaison seule, le résultat est très instructif. En effet, il nous fournit une indication sur la densité des comètes en fonction du plan de trajectoire dans lequel elles s'inscrivent:

Fonction de répartition. En absisce le nombre total de comètes observées pour une inclinaison (en degrés décimaux) inférieure à la valeur indiquée en ordonnée. Globalement, le nombre total de comètes observées est d'autant plus faible que l'inclinaison croit. La dérivée de cette fonction donne la densité de comètes pour une inclinaison donnée.

Fonction de répartition des comètes paraboliques et hyperboliques selon leur inclinaison

La fonction précédente est recalculée avec l'échantillon ciblé: les comètes hyperboliques et paraboliques, avec e>0.9999. Filtrant sur cet échantillon, nous ne disposons plus que de 127 comètes, (dont 5 à l'excentricité comprise entre 0.9999 et 1, ce qui est négligeable).

Le résultat est assez éloquent:

Fonction de répartition de l'inclinaison des comètes pour e >= 0.9999. Trois zones sont particulièrement remarquables : les deux zones proches du plan de l'ecliptique (de [+166.4° à +9.89°]) où l'on observe que les comètes hyper-paraboliques disparaissent totalement, (ce qui est cohérent, sinon elles seraient éventuellement capturées). Et une zone à 120+ où il existe un très net accroissement de la densité de comètes (éllongation suivant l'axe des X de la fonction d'approximation).

Il existe une très nette accentuation de la densité de ce type de comètes pour 120° d'inclinaison. Pourquoi cette augmentation ? Biais instrumental ? Peut-être, mais ce qui est ici remarquable c'est que cette augmentation semble symétrique pour les inclinaisons de part et d'autre de cette position et peut-être en accord avec l'existence d'un potentiel gravitationnel.

A noter de manière remarquable également que si l'on observe les excentricités comprises entre 0.8 et 0.999 cette déviation s'atténue largement.

Fonction de répartition de l'inclinaison des comètes pour 0.8 < e < 0.9999. La zone incurvée s'estompe quasi-complètement: ces comètes constituent un bruit de fond presque isotrope la fonction de répartition étant pratiquement linéaire.

Ceci semble bien confirmer que ce sont les quelques comètes de très forte excentricité (> 0.9999) qui sont les messagères d'une augmentation d'activité gravitationnelle dans le plan d'inclinaison, à 120°.

Représentation de la densité de comètes hyperboliques vis à vis du plan de l'ecliptique

Le résultat final peut-être projeté sur une sphère afin de représenter les directions des plans orbitaux correspondant aux différentes inclinaisons.

Une représentation du nuage de Oort et de la densité observable depuis la Terre des comètes hyperboliques en fonction de l'inclinaison. Les cones d'ombres sont probablement dus à la présence des planètes massives orbitant dans le plan de l'ecliptique.

Reste à calculer précisément les paramètres de cette fonction de répartition et voir si elle peut se conformer aux lois de la gravité.