Comment le Triton de Neptune a détruit presque toutes ses lunes

Lorsqu’on parle des lunes de notre système solaire, il n’y a qu’une seule planète qui ne correspond pas à nos attentes : Neptune. Pour toutes les autres planètes, il existe deux façons principales dont elles ont acquis leurs lunes :

• soit les lunes sont apparues à la suite d’un impact géant, soulevant des débris qui sont retombés sur le monde principal ou se sont coalisés en un ou plusieurs satellites,
• soit leurs lunes sont des vestiges de la formation du système solaire, se formant à partir d’un disque circumplanétaire autour d’un monde géant gazeux.

La Terre et Mars ont probablement obtenu leurs lunes à la suite d’impacts géants, ainsi que les grands objets de la ceinture de Kuiper avec des lunes comme Pluton, Haumea, Eris et Makemake. En fait, il est spéculé que les impacts géants sont la façon numéro un dont les mondes terrestres et rocheux obtiennent leurs lunes.

Mais pour les mondes géants gazeux, leurs lunes se sont principalement formées à partir d’un disque circumplanétaire précoce, complet avec de grandes lunes qui orbitent toutes dans le même plan et un système d’anneaux pour aller avec. Jupiter, Saturne et Uranus correspondent tous à cette image, mais Neptune est une exception. Sa seule grande lune, Triton, semble être un objet capturé de la ceinture de Kuiper, et a effacé presque tout le système neptunien dans le processus. Voici ce que nous savons aujourd’hui.

Si vous jetez un coup d’œil aux trois planètes géantes gazeuses « typiques », elles racontent toutes une histoire similaire. Jupiter possède quatre grandes lunes : les satellites galiléens de Io, Europe, Ganymède et Callisto. À l’intérieur d’Io, il y a quatre petites lunes ; à l’extérieur de Callisto, environ quatre fois plus loin, toute une série de petites lunes extérieures orbitent autour de Jupiter. Les lunes principales orbitent toutes à peu près dans le même plan, qui coïncide avec le plan orbital de Jupiter lui-même.

Saturne n’a qu’une seule énorme lune, Titan, mais possède un total de 7 lunes qui sont au moins 10 % aussi massives que la lune de la Terre : Mimas, Encelade, Téthys, Dione, Rhéa, Titan et Iapetus. En dehors de cette dernière grande lune, Iapetus, il n’y a pas d’autres lunes jusqu’à ce que l’on soit un peu plus de trois fois plus loin, et il y a alors beaucoup de petites lunes qui orbitent autour de Saturne. Les lunes intérieures à Iapetus – et il y en a 23 – orbitent toutes dans le même plan les unes par rapport aux autres, qui est le même plan que la rotation de Saturne et son impressionnant système d’anneaux.

La planète suivante, Uranus, possède cinq lunes majeures et massives : Miranda, Ariel, Umbriel, Titania, et Oberon. À l’intérieur d’Obéron, il y a un total de 17 lunes uraniennes, et seule Miranda, dont l’orbite est inclinée de 4,2° par rapport à la rotation d’Uranus, est inclinée de plus de 1°. Au-delà d’Obéron, il existe neuf petites lunes connues à ce jour, la plus proche étant environ sept fois plus éloignée d’Uranus qu’Obéron.

Mais alors, nous arrivons à Neptune. Les satellites de Neptune sont dominés par une lune massive : Triton, qui se classe actuellement comme la septième plus grande lune du système solaire (derrière les quatre lunes galiléennes de Jupiter, Titan de Saturne et la Lune de la Terre). À l’intérieur de Neptune, le reste de ses satellites a l’air normal : ils sont au nombre de sept, et si le Naïade le plus intérieur est incliné de 4,7° par rapport à la rotation de Neptune, les six autres sont inclinés de moins de 1°.

Mais quand on regarde Triton et au-delà, cela ne ressemble à aucun des autres systèmes lunaires connus.

Pour commencer, l’orbite de Triton est complètement fausse. Toutes les autres grandes lunes que nous connaissons – la Lune de la Terre, ainsi que toutes les lunes majeures et massives de Jupiter, Saturne et Uranus – orbitent toutes à peu près dans le même plan que la planète qu’elles orbitent. De plus, elles orbitent toutes dans le même sens que les planètes : dans le sens inverse des aiguilles d’une montre, si vous regardez  » en bas  » depuis le pôle nord du Soleil.

Mais pas Triton.

Triton orbite dans ce que nous appelons le sens rétrograde : il tourne dans le sens des aiguilles d’une montre autour de Neptune, alors même que Neptune et toutes les autres planètes (ainsi que toutes les lunes intérieures à Triton) tournent dans le sens opposé (prograde). De plus, Triton n’est même pas dans le même plan – ou proche de celui-ci – que Neptune. Il est incliné d’environ 23° par rapport au plan dans lequel Neptune tourne sur son axe, en plus de tourner dans le mauvais sens. C’est un gros drapeau rouge qui nous indique que Triton ne s’est pas formé à partir du même disque circumplanétaire que les lunes intérieures (ou les lunes des autres géantes gazeuses).

Une autre propriété intéressante de Triton est sa densité. Les autres lunes massives du système solaire présentent un large éventail de densités, mais se situent pour la plupart dans une fourchette comprise entre 2,0 et 3,0 grammes par centimètre cube : comparable à la densité de la couche crustale de la Terre. À l’extrémité supérieure, on trouve les grandes lunes les plus internes de Jupiter : Io et Europe ; à l’extrémité inférieure se trouvent Titan, Ganymède et Callisto. Au fur et à mesure que l’on s’éloigne, jusqu’aux satellites d’Uranus, la densité diminue, jusqu’à environ 1,5 gramme par centimètre cube. Les autres satellites de Neptune et d’Uranus sont principalement composés de glace d’eau, avec une densité qui l’indique.

Mais il y a Triton.

Avec une densité d’environ 2,06 grammes par centimètre cube, la densité de Triton est anormalement grande. Elle est recouverte de diverses glaces : de l’azote gelé au-dessus d’un manteau de dioxyde de carbone (glace sèche) et de glace d’eau, similaire à la composition de Pluton. Cependant, il doit avoir un noyau plus dense, fait de roche et de métal, ce qui lui confère une densité nettement supérieure à celle de Pluton. Le seul objet que nous connaissons qui soit comparable à Triton ? Eris, l’objet le plus massif de la ceinture de Kuiper : 27 % plus massif que Pluton, mais en quelque sorte toujours plus petit.

Enfin, Triton est une aberration extrême quand on regarde les lunes extérieures de Neptune. Certes, il est possible, tout comme il est également possible pour Uranus, qu’il y ait une énorme suite de petites lunes qui orbitent autour de cette géante gazeuse extérieure, et que l’absence de mission dédiée au cours des 30 dernières années nous ait empêchés de les détecter. Mais lorsque nous examinons les autres satellites qui existent au-delà du dernier satellite majeur d’une planète géante gazeuse, ils commencent tous à apparaître quelque part entre 3 et 8 fois plus loin que la dernière lune majeure.

Mais pas dans le cas de Triton et Neptune.

Triton est relativement proche de Neptune, avec une distance orbitale moyenne de seulement 355 000 km : environ 10 % plus proche de Neptune que la Lune ne l’est de la Terre. Mais la lune suivante, Nereid, se trouve à une distance énorme de 5,5 millions de km, soit un rapport de distance de 15,5 pour 1. Pire encore, si vous vous rendez sur la lune suivante de Nereid, vous tomberez sur Halimede, qui se trouve à 16,6 millions de km, une distance spectaculairement grande. Au total, il n’y a que 14 lunes connues de Neptune, le plus petit nombre connu pour une planète géante gazeuse.

En outre, il existe d’autres propriétés « bizarres » concernant Triton qui la rendent différente de toute autre lune. En termes de surface, elle possède des cryovolcans glacés, ce qui en fait l’un des quatre mondes du système solaire (Terre, Vénus, Io et Triton) connus pour avoir une activité volcanique active en surface.

En termes de masse, si l’on additionne tous les satellites de Neptune, Triton compose 99,5 % de la masse de tout ce qui orbite autour de Neptune : lunes, lunettes et anneaux compris. C’est de loin le ratio le plus important de tout système planétaire avec plus d’une lune impliquée.

Et en termes de couleur, il ne ressemble à aucune des autres lunes de Neptune, Uranus, Saturne ou Jupiter. Au lieu de cela, il s’intègre parfaitement à des objets comme Pluton et Eris : les grands objets de la ceinture de Kuiper. En fait, si nous examinons à la fois l’atmosphère et la surface de Triton, il a beaucoup plus en commun avec les objets connus de la ceinture de Kuiper qu’avec n’importe quelle autre lune de notre système solaire.

Toutes ces preuves pointent vers une conclusion fascinante : Triton ne s’est pas formée comme les autres grandes lunes des géantes gazeuses ; elle n’a pas surgi d’un disque circumplanétaire remontant aux premiers stades du système solaire. Au lieu de cela, il semble que Triton était à l’origine un objet de la ceinture de Kuiper – plus grand et plus massif que Pluton ou Eris – l’ancien roi de la ceinture de Kuiper. Seulement, il y a quelque temps, Triton a été capturé gravitationnellement par Neptune, où il continue d’orbiter autour de ce monde massif encore aujourd’hui.

Si cela est vrai, cela signifie que Neptune a très probablement eu un riche système lunaire qui lui était propre, avec une série de grosses lunes massives en orbite autour d’elle à un moment donné. Puis, au cours de centaines de millions (ou peut-être même de milliards) d’années, des tiraillements légers et répétés sur des objets de la ceinture de Kuiper ont amené le plus gros objet de celle-ci dans sa sphère de Hill : la région de son influence gravitationnelle. C’était le début d’un processus qui allait conduire à la capture de Triton.

Les sept (petites) lunes les plus internes de Neptune, de Naiad à Proteus, sont probablement les seules lunes neptuniennes qui restent de la formation de Neptune et de ce disque circumplanétaire original. Ces lunes sont toutes petites, de faible masse, elles orbitent toutes dans le même plan que la rotation de Neptune, et accomplissent une révolution autour de Neptune en moins de 27 heures. Elles sont incroyablement proches de ce monde géant gazeux.

Au delà, il y avait probablement un riche système lunaire dont nous ne saurons jamais rien. C’est parce que Triton, un objet de la ceinture de Kuiper capturé, a effacé tout le reste. Par une combinaison d’interactions gravitationnelles, de transfert de moment angulaire et de forces de marée de Neptune, Triton a fini par :

• migrer vers l’intérieur,
• éjecter toutes les lunes extérieures préexistantes de Neptune,
• et a été amené sur une orbite circulaire verrouillée par les marées autour de Neptune.

Le triton, plus que tout autre facteur, rend le système lunaire de Neptune unique parmi les mondes de notre système solaire, mais les implications sont fascinantes.

Lorsque nous mettons tout ce que nous avons appris ensemble, il nous reste une image où les systèmes solaires se forment avec une série de planètes autour d’eux : un mélange de planètes terrestres (rocheuses) et de géantes gazeuses (avec des enveloppes d’hydrogène/hélium). En dehors de la dernière planète qui se forme – le monde de grande masse le plus éloigné qui peut dégager son orbite – une série de corps glacés devrait persister dans un analogue de notre ceinture de Kuiper. Et il se peut que ce soit un événement très probable, peut-être même une fatalité, que l’un des objets les plus massifs soit capturé gravitationnellement, effaçant la majeure partie de tout système de satellites préexistant autour de ce monde.

Neptune est la seule planète de notre système solaire à avoir son système lunaire d’origine perturbé de cette manière. Triton, l’ancien « roi de la ceinture de Kuiper », a été capturé gravitationnellement par elle il y a longtemps, éliminant tous les satellites de Neptune sauf les plus internes dans le processus. Certains d’entre eux existent-ils encore sous forme de centaures ou de comètes à longue période ? Les lunes extérieures de Neptune sont-elles des vestiges de son disque circumplanétaire d’origine ? D’autres lunes attendent-elles d’être découvertes ? Et son système lunaire est-il typique d’une planète ultrapériphérique dans les systèmes exoplanétaires ?

Ce sont toutes des questions ouvertes, les astronomes planétaires attendant des données supplémentaires et des missions inédites pour en avoir le cœur net. En attendant, nous pouvons être sûrs que Triton a détruit le système de satellites préexistant de Neptune. Dans la danse gravitationnelle chaotique de notre système solaire, seuls les survivants restent pour raconter leurs histoires.