Dans l'antiquité grecque les étoiles filantes étaient associées à la chute d'une étoile ou à une action divine. AinsiPtolémée avançait l'explication des larmes d'empathie envers les hommes pour expliquer les pluies de météores, d'où le conseil de faire un vœu qui a subsisté jusqu'à nos jours[1].
Par la suite, en occident, lesmétéores ont été associés à des phénomènes météorologiques.
La spectaculaire pluie deLéonides de novembre 1833 aux États-Unis[2] a suscité beaucoup d'interrogations. Ces dernières ont mené à de nombreux développements et théories scientifiques sur l'origine des météores. C'est à cette époque que l'américainDenison Olmsted donne l'explication d'un nuage de particules à ce phénomène qu'il publie dans l'American Journal of Sciences and Arts[3].
Chaque année à la même période, l'orbite de la Terre croise des nuages de poussières laissés par descomètes :les essaims météoritiques.Cela provoque despluies de météores, appelées aussi pluies ou averses d'étoiles filantes. Il est à noter que le terme d'essaim d'étoiles filantes est souvent employé pour désigner aussi bien la pluie de météores que le nuage de poussières cométaires. Certaines observations concernent des évènements isolés : on parle d'objets « sporadiques ».
Par un effet de perspective, les étoiles filantes semblent toutes provenir du même point du ciel. On appelle ce point imaginaire leradiant.
Ces pluies périodiques d'étoiles filantes portent un nom dérivé de laconstellation où se trouve leur radiant. Ainsi, lesPerséides (visibles en août) ont leur radiant dans laconstellation de Persée.
Le nombre de météores d'un essaim est très variable. Ainsi celui desLéonides peut donner lieu à des pluies de météores très intenses. Cette intensité varie dans le temps en fonction des trajectoires respectives de l'essaim et de la Terre. On observe une fluctuation pluri-décennale superposée à une dérive pluri-centennale. Par exemple les Léonides ont un maximum tous les 33 ans environ[11].
L'observation judicieuse des essaims se fait en regardant à 45° du radiant (compromis entre la durée du phénomène et la longueur des traînées)[12].
Les plus petites particules, non visibles à la rentrée et très fortement freinées, peuvent survivre. Pour ces particules on parle depoussière cométaire oumicrométéorite. Leur collection dans lastratosphère ou dans les glaces polaires[13] permet de les décrire comme desagrégats de particules de taille submicronique constitués d'une matière analogue à celle deschondrites carbonées[14].
Lors de l'entrée l'objet est dans un premier temps pulvérisé par impact (sputtering) des molécules atmosphériques, essentiellement azote moléculaire, oxygène atomique et argon pour la tranche d'altitude comprise entre 80 et 200 km dans laquelle se produisent les phénomènes[15].
L'énergie transmise au corps est suffisante pour faire fondre puis vaporiser celui-ci. Le gaz formé s'échappe de la surface à vitesse supersonique. Sa détente dans le milieu très peu dense produit alors un écoulement complexe. Dans un repère lié au corps on a[16] :
une région proche de la surface où le milieu est dense, offrant une protection contre le milieu extérieur (« bouclier ») ;
une région peu dense interagissant avec les atomes et molécules incidentes, créant un milieu hors équilibre thermodynamique constitué de trois populations distinctes : particules incidentes constituant un faisceau quasi-isoénergétique (la vitesse thermique est très inférieure à la vitesse de l'objet), particules issues de la surface, peu énergétiques, n'ayant pas eu d'interaction avec les particules incidentes mais pouvant ne pas suivre laloi de distribution des vitesses de Maxwell (effet de la détente), et particules issues d'un ou plusieurs impacts, ces dernières se retrouvant souvent dans unétat excité.
Ladésexitation de ces particules ou de celles issues du phénomène desputtering produit un rayonnement observable. Cela concerne l'oxygène atomique neutre ou ionisé, l'azote atomique (obtenu après collision) mais aussi des éléments issus de l'objet en faible quantités mais dont la durée de vie de l'état excité en font des sources visibles (Li,Na,Mg,Al,Si,Ca,Ti,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Sr), certaines identifiables par leur couleur (voit photo)[11]. Cette zone d'émission accompagne visuellement la trajectoire sur des centaines de mètres de longueur et un diamètre de plusieurs dizaines de mètres.
Des simulations numériques ont montré un autre phénomène lié à laconstitution de l'objet qui a perdu sa composante volatile à l'approche de l'orbite terrestre. Les particules qui constituent l'agrégat sont peu liées entre elles : l'objet peut se déformer dès 200 km d'altitude et se désagréger vers 120 km (ce dernier chiffre étant lié aux conditions d'entrée)[17]. Le mouvement de l'objet induit est susceptible d'expliquer les fluctuations de lumière émise à des fréquences supérieures à 100 Hz[18] et son délitement la rémanence du sillage de certains objets parmi les plus lents[19].
Ces phénomènes se passent généralement entre 200 et 80 kilomètres d'altitude, seuls les objets de taille millimétrique atteignant cette dernière altitude.
À compter de quelques diamètres de distance du corps le sillage a une géométrie simple, celle d'un cône de faible ouverture au sommet. Cette géométrie permet l'étude analytique de l'écoulement en supposant que toute valeur fonction de la distance à l'objet et à l'axe peut être séparée.
Ceci est particulièrement vrai pour l'ionisation créée par les molécules de l'air et les ions issus du solide :Mg,Fe et le plus important, leNa. La recombinaison de ces ions est lente, en particulier celle du sodium qui fait intervenir une réaction à 3 corps, le 3ème corps évacuant l'énergie excédentaire de la réaction[16]. Dans ces conditions ladiffusion est le phénomène dominant de la variation de la densité électronique dans le milieu. Cette densité volumique d'électrons admet la solution[20] :
où
est le temps,
est la vitesse de l'objet,
le coefficient de diffusion,
la dimension initiale du sillage, voisine de celle du corps,
la densité électronique créée par unité de longueur de trajectoire.
Cette dernière valeur est souvent reliée à la perte de masse ou d'énergie du corps. Une telle relation fait intervenir un coefficient reliant la diminution de masse ou d'énergie cinétique à la quantité d'électrons créée[20]. Son calcul est très complexe compte tenu de la phénoménologie décrite ci-dessus. Elle est très souvent reliée à l'intensité lumineuse, elle-même supposée liée au mêmes phénomènes de perte de masse ou d'énergie.
Si l'on néglige la vitesse d'ensemble du milieu devant la vitesse de l'objet alors.
L'expression de la densité électronique ci-dessus donne une excellente approximation lorsque on la compare à un calcul numérique prenant en compte les recombinaisons et la vitesse réelle[16]. On peut en déduire les courbes iso-quantités :
où est le point d'intersection avec l'axe.
De cette équation on tire la décroissance sur l'axe :
On voit que la densité électronique décroît radialement comme, donc très rapidement, et longitudinalement comme environ, donc lentement. Cela donne la géométrie du sillage : un cylindre très allongé. Dans le cas de la signature optique, même si on ne peut pas négliger le terme de recombinaison, on obtient le même type de géométrie avec cependant une décroissance plus rapide. Les dimensions absolues dépendent du libre parcours moyen (ou de lamasse volumique) par l'intermédiaire du coefficient de diffusion, donc de l'altitude.
Le radar permet de détecter des objets de très faible luminosité optique, jusqu'à lamagnitude15 et plus. Il peut s'agir de systèmes dédiés commeBRAMS, utilisant un émetteur utilisant un signal continu sinusoïdal et un grand nombre de récepteursrécepteurs simples. On utilise également des installations dédiées à l'étude géophysique commeEISCAT 3D[21] ou laveille spatiale commeALTAIR. Il s'agit dans ce dernier cas d'un radar monostatique impulsionnel très puissant capable de détecter plusieurs centaines d'évènements par heure au cours d'une pluie de météores[22].
L'interaction de l'onde électromagnétique peut être de deux types suivant la densité électronique, mesurée par le nombre d'électrons créés par unité de longueur le long de la trajectoire[23] :
sillage sous-dense : la fréquence utilisée est inférieure à lafréquence plasma du milieu, typiquement obtenue pour. L'interaction globale résulte de la diffusion sur chaque électron ;
sillage sur-dense typiquement obtenu pour. Le milieu agit comme un objet métallique parfaitement conducteur.
Entre les deux valeurs de le sillage est constitué d'un « écho de tête » correspondant à la partie sur-dense, de longueur généralement faible, suivi d'une queue constituée de la région sous-dense.
Ce phénomène a été utilisé pour la transmission du signal dans les transmissions militaire (programme COMET,COmmunication by MEteor Trails[26]) ou civiles (programmeSnoTel,Snow Telemetry[27],[28]). Il est également utilisé par les radioamateurs et permet d'« écouter » la chute d'étoiles filantes en réglant un récepteur radio sur une station VHF normalement inaudible à cause de son éloignement de plusieurs centaines à plusieurs milliers de kilomètres[29],[30]
↑A.-C. Levasseur-Regourd, J. Agarwal, H. Cottin, C. Engrand, G. Flynn, M. Fulle, T. Gombosi, Y. Langevin, J. Lasue, T. Manne, S. Merouane, O. Poch, N. Thomas et A. Westphal, « Cometary dust »,Space Science Revues,vol. 62,,p. 64
