Ces petits mondes au-delà de Neptune pourraient être des fossiles du Système solaire primitif

Les plus petits mondes connus au-delà de Neptune commencent à ébranler une idée ancienne sur la ceinture de Kuiper : les collisions auraient dû y produire une grande quantité de petits débris et renouveler fréquemment leurs surfaces. Or, une étude associant les télescopes spatiaux Hubble et James-Webb révèle à la fois moins de minuscules objets transneptuniens (OTN) que prévu et des couleurs proches de celles de leurs congénères plus grands. Ces corps pourraient ainsi conserver une trace directe de la formation des premiers planétésimaux — les briques initiales des planètes — dans le disque externe primordial. 112

Une recherche très profonde, dans une zone minuscule du ciel

La caméra infrarouge NIRCam de Webb a détecté 27 OTN jusque-là inconnus dans seulement environ 0,05 degré carré de ciel. Ils mesureraient moins de 40 kilomètres de diamètre, dont l’un environ 10 kilomètres. Hubble a ensuite retrouvé 13 de ces objets en lumière visible, ce qui a permis de combiner des mesures du visible au proche infrarouge. 112

L’échantillon obtenu par Webb donne une pente d’environ 0,29 pour la fonction de luminosité à faible éclat. Autrement dit, le nombre d’objets augmente bien lorsque l’on va vers les corps plus faibles — et, en général, plus petits — mais cette augmentation est plus lente que ne le suggéraient des extrapolations à partir des populations plus grandes. Les astronomes observent donc moins de petits corps que ne l’anticipaient plusieurs scénarios de formation planétaire et d’évolution de la ceinture de Kuiper. 12

Ce que la rareté des petits corps change

Une cascade collisionnelle durable et intense — où les impacts fragmentent sans cesse les objets — devrait générer de nombreux petits débris. La pente peu marquée observée ne désigne pas, à elle seule, un mécanisme unique. Elle fragilise toutefois l’explication la plus simple selon laquelle les petits OTN seraient principalement les résidus pulvérisés de corps plus massifs. 12

Plusieurs interprétations restent possibles :

• l’érosion par collisions a pu être moins efficace, ou durer moins longtemps, que certains modèles ne le supposent ;
• les plus petits OTN accessibles aux observations ne sont peut-être pas majoritairement des fragments de collision ;
• leur abondance pourrait conserver l’empreinte du processus initial qui a assemblé les solides en planétésimaux dans le jeune Système solaire. 12

L’enjeu se déplace donc des collisions tardives vers les conditions de naissance des planétésimaux. Un modèle convaincant devra expliquer non seulement les orbites des corps lointains, mais aussi la rareté observée des plus petits objets dans cette étude très profonde.

Des distributions de tailles semblables dans deux populations pourtant différentes

Les OTN sont souvent classés selon leur dynamique orbitale. Les objets dits « froids » suivent en général des orbites relativement stables, peu inclinées et presque circulaires. Les objets « chauds », eux, ont des orbites plus excitées ou dispersées, associées à l’évolution dynamique ultérieure du Système solaire.

Malgré ces parcours distincts, l’étude trouve des distributions de tailles comparables pour les petits objets des deux populations. Ce n’est pas le résultat le plus intuitif si ces groupes se sont formés dans des environnements très différents avant de connaître des histoires collisionnelles très contrastées. Une interprétation est que la formation des planétésimaux aurait produit un spectre de tailles assez similaire dans différentes régions du disque primordial. 112

Des couleurs qui semblent avoir résisté aux collisions

Les récupérations réalisées avec Hubble ont permis de comparer les couleurs visibles et proche infrarouges de 13 objets. Au lieu d’un ensemble de couleurs fortement mélangées ou systématiquement modifiées, les petits OTN suivent les mêmes relations de couleur dépendantes de leur population que les objets plus grands. 113

Ce constat est compatible avec deux explications qui ne s’excluent pas : les impacts capables de renouveler entièrement leurs surfaces ont pu être moins fréquents qu’attendu, ou bien ces impacts n’effacent pas aussi efficacement que prévu les matériaux responsables de leurs signatures colorées. 113

C’est particulièrement important pour les objets dynamiquement dispersés. Les interactions gravitationnelles peuvent changer fortement une orbite, mais les relations de couleur observées indiquent qu’un déplacement orbital n’efface pas nécessairement le signal de composition de surface. Les OTN aux orbites stables comme ceux dont l’orbite a été perturbée pourraient donc encore renseigner sur des zones de naissance distinctes dans le jeune Système solaire. 113

Deux analyses complémentaires

Les travaux associés ont été dirigés par deux doctorantes. Anastasia N. Morgan, de la Northern Arizona University, a mené l’analyse combinant les images de Webb et Hubble afin de caractériser les couleurs et les surfaces des petits OTN, du visible au proche infrarouge. Marielle R. Eduardo, de l’Université de Victoria, a dirigé l’analyse de la fonction de luminosité, qui mesure la répartition des objets faibles et a mis en évidence sa pente peu prononcée. 1213

La complémentarité des deux observatoires est centrale : Webb a permis de détecter des sources exceptionnellement faibles dans l’infrarouge, tandis que Hubble a apporté des mesures en lumière visible pour une partie du même échantillon. 112

Ce que l’étude ne permet pas encore d’affirmer

Il s’agit d’une étude d’une profondeur record, mais pas d’un recensement complet du Système solaire externe. Ses conclusions reposent sur 27 détections de Webb, 13 récupérations en lumière visible et une région du ciel d’à peine 0,05 degré carré. Les effets de sélection liés à la détection et à la récupération, les arcs orbitaux encore courts et l’incertitude sur l’albédo — nécessaire pour convertir une luminosité en diamètre — limitent la portée des généralisations. 112

L’étude ne peut donc pas encore établir une distribution de tailles définitive à l’échelle de tout le Système solaire, ni départager de manière unique tous les mécanismes de formation des planétésimaux. La gamme d’environ 10 à 40 kilomètres n’est par ailleurs qu’une petite tranche de la vaste population d’OTN. 112

Une nouvelle archive du disque protoplanétaire externe

L’intérêt majeur de ces résultats est de faire passer des objets longtemps étudiés surtout par extrapolation au statut de témoins observables. Leur abondance, leurs orbites et leurs couleurs imposent ensemble de nouvelles contraintes sur la manière dont le disque protoplanétaire externe a fabriqué des planétésimaux, puis sur l’ampleur des transformations dues aux collisions et à la migration des planètes. 112

Des campagnes conjointes plus étendues permettront de vérifier si la faible abondance des petits objets et la préservation des relations de couleur se retrouvent dans d’autres régions de la ceinture de Kuiper. Si c’est le cas, ces minuscules OTN pourraient compter parmi les fossiles physiques les plus résistants de la toute première époque du Système solaire. 112