Les principaux satellites naturels duSystème solaire, à l'échelle par rapport à laTerre.
Unsatellite naturel est unobjet céleste enorbite autour d'uneplanète ou d'un autre objet plusmassif que lui-même et qui n'est pas d'origine humaine, par opposition auxsatellites artificiels. Ils peuvent être de grosse taille et ressembler à de petites planètes. De tels objets sont également appeléslunes, par analogie avec laLune, le satellite naturel de laTerre.
Techniquement, le terme pourrait s'appliquer à une planète orbitant uneétoile, ou même une étoile orbitant uncentre galactique, mais une telle utilisation est rare. En temps normal, il désigne les satellites naturels des planètes,planètes naines etpetits corps.
On suppose que les satellites naturels orbitant relativement proches d'une planète sur une orbiteprograde se sont formés dans la même région dudisque protoplanétaire à l'origine de cette planète. Par opposition, les satellites irréguliers (orbitant généralement sur des orbites distantes,inclinées,excentriques ourétrogrades) seraient des objets étrangers capturés et éventuellement fragmentés lors de collisions.
Lors de la formation d’une planète, on retrouve des morceaux de roches, des poussières de glace et des gaz tourbillonnants en forme de disque autour. Les bouts de roches s’agglutinent pour former un grumeau, qui sous les chocs d’autres fragments rocheux crée une sphère de roche qui grossit et absorbe les éventuels grumeaux voisins. Elle finit par dominer le disque et reste seule en orbite, donnant naissance à un satellite.
Un modèle permet d'expliquer que la grande majorité des satellites réguliers dusystème solaire est formé à partir de l'accrétion d'anneaux planétaires. Au cours du temps, ces anneaux « visqueux » entourant desplanètes géantes ou des planètes dites « telluriques » telles que la Terre ouPluton (la prédiction de ce modèle ne fonctionne pas uniquement pour la répartition des satellites deJupiter) s'étalent (près de la planète les forces gravitationnelles tendent à faire s'accréter les grains qui les constituent mais lesforces de marée les en empêchent) et lorsqu'ils atteignent une certaine distance de la planète (appelée « limite de Roche »), la gravité l'emporte sur l'effet de marée, ils forment ainsi de petits agrégats qui se détachent progressivement (sur des millions d'années) et s'éloignent. Les anneaux donnent ainsi naissance à des satellites en orbite autour de la planète, certains de ces anneaux ayant depuis disparu alors que le processus se poursuit surSaturne par des cycles de confinement et de déconfinement des anneaux de quelques millions d'années : lorsqu'un gros satellite s'éloigne, par le mécanisme d'action et réaction, il repousse l'anneau sous la limite de Roche (confinement) ; lorsque le satellite est suffisamment éloigné, l'anneau s'étale à nouveau pour redépasser la limite de Roche (déconfinement)[1].
Cas le plus rencontré : il faut que deux astéroïdes (rarement un seul), gravitant l’un près de l’autre s'approchent suffisamment d'une planète pour que son champ gravitationnel ne soit pasnégligeable. Dès lors, l'astéroïde le plus proche ou le plusmassif[2] de la planète se retrouve happé dans le champ gravitationnel de cette dernière. Sa trajectoire est alors modifiée par la force de l’attraction de l’astre qui s'ajoute aux autres forces exercées sur celui-ci (inertie, attraction de l'autre astéroïde, etc.). Si l’attirance de l’astre est la plus forte, la liaison entre les deux astéroïdes cède, le jumeau reçoit ainsi une impulsion d’énergie et file dans l’espace tandis que l’autre astéroïde commence son premier tour d’orbite ainsi que sa vie de satellite.
Dernier cas, qui est aussi le plus rare : il se produit lorsqu’un astéroïde de taille monstrueuse heurte une planète. Lors de ce choc titanesque, un panache de matière jaillit de l’impact, contenant roche et même des fragments du noyau de la planète. Cette matière va s’agglomérer, formant un nouveau corps. Mais ce dernier, trop lourd à cause de la masse métallique extraite du noyau de la planète, chute à nouveau et va percuter une seconde fois la planète. Cette fois, la partie arrachée du noyau se fond quasi totalement avec celui de la planète. Le panache ainsi formé sera donc exempt de particules métalliques, plus lourdes. Ce dernier va tout de même se scinder en deux, une partie retournera à l’astre, l’autre commencera une orbite. Cette matière va s’agglomérer de façon à créer un nouveau satellite. Toute cette séquence peut prendre seulement vingt-quatre heures.
Il existe des exceptions ou des variations à ce modèle standard de formation. En particulier, les couples Terre-Lune[3] et peut-être Pluton-Charon[4] tireraient leur origine de la collision de deux grands objets proto-planétaires. La matière éjectée en orbite autour du corps central aurait alors formé un ou plusieurs objets par accrétion. On pense par ailleurs que lessatellites d'astéroïdes se forment principalement par ce processus.
Le terme de « satellite » ne possède pas de définition scientifique précise. En particulier, l'existence de couplesPluton-Charon etTerre-Lune, où le rapport des masses entre le corps central et son satellite n'est pas aussi prononcé que dans la plupart des autres systèmes, rend difficile la détermination d'une limite séparant un système satellitaire d'uneplanète double. Une définition commune suppose qu'un système satellitaire doit posséder unbarycentre situé sous la surface du corps le plus massif, mais elle n'est pas officielle et reste arbitraire.
À l'autre bout de l'échelle, les systèmesannulaires autour desgéantes gazeuses du Système solaire sont composés de petits morceaux de glace et de roche ; il n'existe aucune limite définissant une taille à partir de laquelle un tel morceau est suffisamment grand pour être considéré comme un satellite à part entière.
Le premier satellite naturel connu est laLune. Jusqu'à la découverte dessatellites galiléens en 1610, aucune occasion ne s'est donc présentée pour caractériser de tels objets.Galilée choisit pour sa part le terme grec latiniséstellae planetæ (« étoiles errantes », par opposition aux étoiles fixes) pour les désigner. C'estKépler qui les nomme « satellites » en 1611, du latinsatelles signifiant « gardien » ou « compagnon », le satellite semblant accompagner la planète dans ses déplacements[5].
Christian Huygens, le découvreur deTitan, est le premier à utiliser le terme « lune » pour ce type d'objet, appelant TitanLuna Saturni ouLuna Saturnia (« lune de Saturne » ou « lune saturnienne »)[6].
Au fil des découvertes, le terme est abandonné ;Jean-Dominique Cassini utilise parfois le terme de « planètes » pour ses découvertes, mais plus souvent celui de « satellites ».
Le terme de « satellite » devient la norme pour décrire un objet en orbite autour d'une planète, permettant d'éviter l'ambiguïté de « lune ». Cependant, en 1957, le lancement deSpoutnik 1, le premier objet artificiel en orbite autour de la Terre, rend nécessaire la distinction entre lessatellites artificiels et les satellites naturels. Le terme simple de « satellite » tend à désigner principalement les objets artificiels et le terme « lune » est à nouveau souvent employé. Par contre, on appelle toujours « satellite » les nouveaux corps détectés autour d'objets eux-mêmes en orbite autour du Soleil (leur désignation provisoire est « S » suivi d'un numéro, commeS/2004 N 1).
La plupart des satellites naturels proches sont enrotation synchrone avec le corps autour duquel il tourne, ce qui signifie qu'ils tournent sur eux-mêmes en autant de temps qu'ils effectuent une révolution complète autour de la planète, et présentent ainsi toujours la même face vers la planète (c'est le cas par exemple de laLune). Parmi les exceptions,Hypérion, une lune de Saturne, tourne de façon chaotique à cause de plusieurs influences extérieures.
En revanche, les satellites extérieurs des géantes gazeuses en sont trop éloignés pour être en rotation synchrone. Par exemple,Himalia (lune de Jupiter),Phœbé (lune de Saturne) etNéréide (lune de Neptune) ont unepériode de rotation de 10 h et unepériode orbitale de centaines de jours.
On ne connaît aucun satellite naturel d'un autre satellite naturel dans notreSystème solaire. On ne sait pas si de tels objets sont stables à long terme. Dans la plupart des cas, laforce de marée causés par l'objet primaire rend un tel système instable. En théorie, un satellite secondaire peut exister à l'intérieur de lasphère de Hill d'un satellite primaire, mais aucun objet de ce type n'a encore été détecté. Des recherches ont été effectuées pour trouver un satellite de laLune, sans succès[9].
Mais même si aucun satellite naturel n'est découvert autour d'un autre satellite des objets suivant une trajectoire dequasi-satellite peuvent orbiter temporairement autour d'un satellite. C'est ce qu'a réalisé l'Union soviétique avec sasondePhobos 2 en 1989 autour dusatellite martien du même nom.
Un projet de laNASA prévoit de mettre unastéroïde de taille moyenne en orbite autour de laLune et peut être le premier satellite d'un satellite connu[10], projet abandonné.
L'exoplanèteKepler-1625 b peut avoir un satellite naturel (Kepler-1625 b I) dont un autre satellite naturel orbite autour du satellite naturel. Lalune extrasolaireKepler-1625 b I est un satellite naturel de la taille deNeptune, or, on n'a jamais découvert un satellite naturel aussi grand dans notre Système solaire ce qui rend possible l'existence de satellites de satellites dans d'autres systèmes planétaires[11].
Unsatellite de planète mineure est un astéroïde en orbite autour d'un autre astéroïde. On considère généralement qu'ils sont formés des débris résultant d'un impact impliquant l'astéroïde primaire. D'autres systèmes pourraient avoir été formés par de petits objets capturés par la gravité d'un corps plus grand. Au début des années 1990, la découverte de la petite luneDactyle orbitant autour de(243) Ida a confirmé que lesastéroïdes peuvent également posséder des satellites naturels. Certains corps, comme(90) Antiope, sont des astéroïdes doubles formés de deux composants de taille similaire. Plusieurs astéroïdes ayant deux satellites sont aujourd'hui connus, dont(87) Sylvia.
La table suivante regroupe les lunes du Système solaire selon leur diamètre moyen et le corps autour duquel elles orbitent. La colonne de droite inclut certains autres objets notables (planètes, planètes naines, astéroïdes, transneptuniens) à titre de comparaison.
↑R. Canup et E. Asphaug, « Origin of the Moon in a giant impact near the end of the Earth's formation »,Nature,vol. 412,,p. 708 - 712.
↑S. Stern, H. Weaver, A. Steffl, M. Mutchler, W. Merline, M. Buie, E. Young, L. Young et J. Spencer, « A giant impact origin for Pluto’s small moons and satellite multiplicity in the Kuiper belt »,Nature,vol. 439,,p. 946-949.
↑(la)JohannesKepler,Narratio de observatis a se quatuor Iouis satellitibus erronibus, Francfort,.
↑(la)ChristianHuygens,De Saturni luna observatio nova [« Nouvelle observation d'une lune de Saturne »], La Haye,.
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