Définition de la planète

Les astéroïdes du système solaire interne ; notez les astéroïdes troyens (en vert), piégés dans l’orbite de Jupiter par sa gravité

Mike Brown contrecarre ces affirmations en disant que, loin de ne pas avoir dégagé leurs orbites, les planètes majeures contrôlent complètement les orbites des autres corps dans leur zone orbitale. Jupiter peut coexister avec un grand nombre de petits corps dans son orbite (les astéroïdes troyens), mais ces corps n’existent dans l’orbite de Jupiter que parce qu’ils sont sous l’emprise de l’énorme gravité de la planète. De même, Pluton peut croiser l’orbite de Neptune, mais Neptune a depuis longtemps enfermé Pluton et les objets de la ceinture de Kuiper qui l’accompagnent, appelés plutinos, dans une résonance 3:2, c’est-à-dire qu’ils font deux fois le tour du Soleil pour trois orbites de Neptune. Les orbites de ces objets sont entièrement dictées par la gravité de Neptune, et donc, Neptune est gravitationnellement dominant.

En octobre 2015, l’astronome Jean-Luc Margot de l’Université de Californie Los Angeles a proposé une métrique pour le dégagement de la zone orbitale dérivée du fait qu’un objet peut dégager une zone orbitale d’étendue 2√3 de son rayon de Hill dans une échelle de temps spécifique. Cette métrique place une ligne de démarcation claire entre les planètes naines et les planètes du système solaire. Le calcul est basé sur la masse de l’étoile hôte, la masse du corps et la période orbitale du corps. Un corps de masse terrestre en orbite autour d’une étoile de masse solaire quitte son orbite à des distances allant jusqu’à 400 unités astronomiques de l’étoile. Un corps de masse martienne sur l’orbite de Pluton libère son orbite. Cette métrique, qui laisse Pluton comme une planète naine, s’applique à la fois au système solaire et aux systèmes extrasolaires.

Certains opposants à la définition ont affirmé que « dégager le voisinage » est un concept ambigu. Mark Sykes, directeur du Planetary Science Institute de Tucson, en Arizona, et organisateur de la pétition, a exprimé cette opinion à la National Public Radio. Il estime que la définition ne catégorise pas une planète en fonction de sa composition ou de sa formation, mais, en fait, en fonction de son emplacement. Selon lui, un objet de la taille de Mars ou plus grand, situé au-delà de l’orbite de Pluton, ne serait pas considéré comme une planète, car il estime qu’il n’aurait pas le temps de dégager son orbite.

Brown note toutefois que si le critère de « dégagement du voisinage » était abandonné, le nombre de planètes dans le système solaire pourrait passer de huit à plus de 50, avec des centaines d’autres à découvrir potentiellement.

Equilibre hydrostatiqueEdit

Protéus, une lune de Neptune, est irrégulière, bien qu’elle soit plus grande que la sphéroïde Mimas.

La définition de l’UAI impose que les planètes soient suffisamment grandes pour que leur propre gravité les forme dans un état d’équilibre hydrostatique ; cela signifie qu’elles atteignent une forme ronde, ellipsoïdale. Jusqu’à une certaine masse, un objet peut être de forme irrégulière, mais au-delà de ce point, la gravité commence à tirer un objet vers son propre centre de masse jusqu’à ce que l’objet s’effondre en un ellipsoïde. (Aucun des grands objets du système solaire n’est vraiment sphérique. Beaucoup sont des sphéroïdes, et plusieurs, comme les plus grandes lunes de Saturne et la planète naine Haumea, ont été encore déformés en ellipsoïdes par une rotation rapide ou des forces de marée, mais toujours en équilibre hydrostatique)

Cependant, il n’y a pas de point précis auquel on peut dire qu’un objet a atteint l’équilibre hydrostatique. Comme le note Soter dans son article, « comment quantifier le degré de rondeur qui distingue une planète ? La gravité domine-t-elle un tel corps si sa forme s’écarte d’un sphéroïde de 10 % ou de 1 % ? La nature ne prévoit aucun espace inoccupé entre les formes rondes et non rondes, de sorte que toute limite serait un choix arbitraire. » En outre, le point auquel la masse d’un objet le comprime en un ellipsoïde varie en fonction de la composition chimique de l’objet. Les objets faits de glaces, comme Encelade et Miranda, prennent cet état plus facilement que ceux faits de roche, comme Vesta et Pallas. L’énergie thermique, provenant de l’effondrement gravitationnel, des impacts, des forces de marée telles que les résonances orbitales, ou de la désintégration radioactive, joue également un rôle dans le fait qu’un objet sera ellipsoïdal ou non ; Mimas, la lune glacée de Saturne, est ellipsoïdale (bien qu’elle ne soit plus en équilibre hydrostatique), mais Proteus, la plus grande lune de Neptune, qui est de composition similaire mais plus froide en raison de sa plus grande distance au Soleil, est irrégulière. En outre, Iapetus, beaucoup plus grande, est ellipsoïdale mais n’a pas les dimensions attendues pour sa vitesse de rotation actuelle, ce qui indique qu’elle était autrefois en équilibre hydrostatique mais ne l’est plus, et il en va de même pour la lune de la Terre.

Planètes et lunes doublesModification

Une image télescopique de Pluton et Charon

La définition exclut spécifiquement les satellites de la catégorie des planètes naines, bien qu’elle ne définisse pas directement le terme « satellite ». Dans le projet de proposition initial, une exception était faite pour Pluton et son plus grand satellite, Charon, qui possèdent un barycentre en dehors du volume de l’un ou l’autre corps. La proposition initiale classait Pluton-Charon comme une planète double, les deux objets orbitant autour du Soleil en tandem. Toutefois, le projet final précisait que, même si leur taille relative est similaire, seul Pluton serait actuellement classé comme une planète naine.

Un diagramme illustrant la co-orbite de la Lune avec la Terre

Cependant, certains ont suggéré que la Lune mérite néanmoins d’être appelée une planète. En 1975, Isaac Asimov a noté que le calendrier de l’orbite de la Lune est en tandem avec la propre orbite de la Terre autour du Soleil – en bas sur l’écliptique, la Lune ne fait jamais réellement une boucle sur elle-même, et par essence, elle tourne autour du Soleil à part entière.

De plus, de nombreuses lunes, même celles qui ne tournent pas directement autour du Soleil, présentent souvent des caractéristiques communes avec les véritables planètes. Il existe 19 lunes dans le système solaire qui ont atteint l’équilibre hydrostatique et qui seraient considérées comme des planètes si l’on ne tient compte que des paramètres physiques. Ganymède, lune de Jupiter, et Titan, lune de Saturne, sont tous deux plus grands que Mercure, et Titan possède même une atmosphère substantielle, plus épaisse que celle de la Terre. Des lunes comme Io et Triton présentent une activité géologique évidente et continue, et Ganymède possède un champ magnétique. Tout comme les étoiles en orbite autour d’autres étoiles sont toujours appelées étoiles, certains astronomes soutiennent que les objets en orbite autour de planètes qui partagent toutes leurs caractéristiques pourraient également être appelés planètes. En effet, Mike Brown fait justement une telle affirmation dans sa dissection de la question, en disant:

Il est difficile d’avancer un argument cohérent selon lequel une boule de glace de 400 km devrait compter comme une planète parce qu’elle pourrait avoir une géologie intéressante, tandis qu’un satellite de 5000 km avec une atmosphère massive, des lacs de méthane et des tempêtes dramatiques ne devrait pas être mis dans la même catégorie, quel que soit le nom qu’on lui donne.

Cependant, il poursuit en disant que, « pour la plupart des gens, considérer les satellites ronds (y compris notre Lune) comme des « planètes » viole l’idée de ce qu’est une planète. »

Alan Stern a soutenu que l’emplacement ne devrait pas avoir d’importance et que seuls les attributs géophysiques devraient être pris en compte dans la définition d’une planète, et propose le terme de planète satellite pour les lunes de masse planétaire.

Planètes extrasolaires et naines brunesModifier

La découverte depuis 1992 de planètes extrasolaires, ou d’objets de la taille d’une planète autour d’autres étoiles (4 687 de ces planètes dans 3 463 systèmes planétaires dont 770 systèmes planétaires multiples au 1er mars 2021), a élargi le débat sur la nature de la planéité de manière inattendue. Beaucoup de ces planètes sont de taille considérable, approchant la masse de petites étoiles, tandis que de nombreuses naines brunes récemment découvertes sont, à l’inverse, suffisamment petites pour être considérées comme des planètes. La différence matérielle entre une étoile de faible masse et une grande géante gazeuse n’est pas très nette ; à part la taille et la température relative, il y a peu de choses qui séparent une géante gazeuse comme Jupiter de son étoile hôte. Toutes deux ont une composition globale similaire : hydrogène et hélium, avec des traces d’éléments plus lourds dans leur atmosphère. La différence généralement admise est celle de la formation : les étoiles se seraient formées de haut en bas, à partir des gaz d’une nébuleuse lors de leur effondrement gravitationnel, et seraient donc composées presque entièrement d’hydrogène et d’hélium, tandis que les planètes se seraient formées de bas en haut, par accrétion de poussières et de gaz en orbite autour de la jeune étoile, et auraient donc des noyaux de silicates ou de glaces. On ne sait pas encore si les géantes gazeuses possèdent de tels noyaux, mais la mission Juno vers Jupiter pourrait résoudre cette question. S’il est effectivement possible qu’une géante gazeuse se forme comme une étoile, alors cela soulève la question de savoir si un tel objet doit être considéré comme une étoile de faible masse en orbite plutôt que comme une planète.

La naine brune Gliese 229B en orbite autour de son étoile

Traditionnellement, la caractéristique définissant la formation d’une étoile a été la capacité d’un objet à fusionner de l’hydrogène dans son noyau. Cependant, les étoiles telles que les naines brunes ont toujours remis en question cette distinction. Trop petites pour entamer une fusion soutenue de l’hydrogène-1, elles ont obtenu le statut d’étoile grâce à leur capacité à fusionner du deutérium. Toutefois, en raison de la rareté relative de cet isotope, ce processus ne dure qu’une infime partie de la durée de vie de l’étoile, et la plupart des naines brunes auraient donc cessé de fusionner bien avant leur découverte. Les étoiles binaires et autres formations d’étoiles multiples sont courantes, et de nombreuses naines brunes orbitent autour d’autres étoiles. Par conséquent, puisqu’elles ne produisent pas d’énergie par fusion, elles pourraient être décrites comme des planètes. En effet, l’astronome Adam Burrows de l’Université d’Arizona affirme que « d’un point de vue théorique, aussi différents que soient leurs modes de formation, les planètes géantes extrasolaires et les naines brunes sont essentiellement les mêmes ». Burrows affirme également que les restes stellaires tels que les naines blanches ne devraient pas être considérés comme des étoiles, ce qui signifie qu’une naine blanche en orbite, comme Sirius B, pourrait être considérée comme une planète. Cependant, la convention actuelle parmi les astronomes est que tout objet suffisamment massif pour avoir possédé la capacité d’entretenir une fusion atomique au cours de sa vie et qui n’est pas un trou noir doit être considéré comme une étoile.

La confusion ne s’arrête pas aux naines brunes. Maria Rosa Zapatario-Osorio et al. ont découvert dans de jeunes amas d’étoiles de nombreux objets dont la masse est inférieure à celle requise pour entretenir une quelconque fusion (actuellement calculée à environ 13 masses de Jupiter). Ces objets ont été décrits comme des « planètes flottantes » car les théories actuelles de la formation du système solaire suggèrent que les planètes peuvent être éjectées de leur système stellaire si leur orbite devient instable. Cependant, il est également possible que ces « planètes flottantes » aient pu se former de la même manière que les étoiles.

Le Cha solitaire 110913-773444 (au milieu), une possible naine sub-brune, mis à l’échelle par rapport au Soleil (à gauche) et à la planète Jupiter (à droite)

En 2003, un groupe de travail de l’UAI a publié une déclaration de position visant à établir une définition de travail quant à ce qui constitue une planète extrasolaire et ce qui constitue une naine brune. À ce jour, elle reste la seule orientation offerte par l’UAI sur cette question. Le comité de définition des planètes de 2006 n’a pas tenté de la remettre en question, ni de l’intégrer à sa définition, arguant que la question de la définition d’une planète était déjà difficile à résoudre sans tenir compte des planètes extrasolaires. Cette définition de travail a été modifiée par la Commission F2 : Exoplanètes et système solaire de l’UAI en août 2018. La définition de travail officielle d’une exoplanète est désormais la suivante :

• Objets de masse réelle inférieure à la masse limite pour la fusion thermonucléaire du deutérium (actuellement calculée à 13 masses de Jupiter pour les objets de métallicité solaire) qui orbitent autour d’étoiles, des naines brunes ou des restes d’étoiles et qui ont un rapport de masse avec l’objet central inférieur à l’instabilité L4/L5 (M/Mcentral < 2/(25+√621) sont des « planètes » (peu importe comment ils se sont formés).
• La masse/taille minimale requise pour qu’un objet extrasolaire soit considéré comme une planète devrait être la même que celle utilisée dans notre système solaire.

L’UAI a noté que l’on pouvait s’attendre à ce que cette définition évolue au fur et à mesure de l’amélioration des connaissances.

CHXR 73 b, un objet qui se situe à la frontière entre planète et naine brune

Cette définition fait de la localisation, plutôt que de la formation ou de la composition, la caractéristique déterminante de la planéité. Un objet flottant librement dont la masse est inférieure à 13 masses de Jupiter est une « sous-naine brune », alors qu’un tel objet en orbite autour d’une étoile en fusion est une planète, même si, à tous autres égards, les deux objets peuvent être identiques. En outre, en 2010, un article publié par Burrows, David S. Spiegel et John A. Milsom a remis en question le critère des 13 masses jupitériennes, en montrant qu’une naine brune de trois fois la métallicité solaire pourrait fusionner du deutérium à partir de 11 masses jupitériennes.

En outre, le seuil des 13 masses jupitériennes n’a pas de signification physique précise. La fusion du deutérium peut se produire dans certains objets dont la masse est inférieure à ce seuil. La quantité de deutérium fusionné dépend dans une certaine mesure de la composition de l’objet. Depuis 2011, l’encyclopédie des planètes extrasolaires incluait les objets jusqu’à 25 masses de Jupiter, en disant :  » Le fait qu’il n’y ait pas de caractéristique particulière autour de 13 MJup dans le spectre de masse observé renforce le choix d’oublier cette limite de masse « . Depuis 2016, cette limite a été portée à 60 masses de Jupiter sur la base d’une étude des relations masse-densité. L’Exoplanet Data Explorer inclut des objets jusqu’à 24 masses de Jupiter avec l’avis suivant : « La distinction de 13 masses de Jupiter par le groupe de travail de l’UAI n’est pas motivée physiquement pour les planètes à noyau rocheux, et problématique sur le plan de l’observation en raison de l’ambiguïté de sin i. » Les archives d’exoplanètes de la NASA comprennent des objets dont la masse (ou la masse minimale) est égale ou inférieure à 30 masses de Jupiter.

Un autre critère pour séparer les planètes et les naines brunes, plutôt que la combustion du deutérium, le processus de formation ou la localisation, est de savoir si la pression du noyau est dominée par la pression de coulomb ou la pression de dégénérescence des électrons.

Une étude suggère que les objets de plus de 10 MJup se sont formés par instabilité gravitationnelle et non par accrétion du noyau et ne devraient donc pas être considérés comme des planètes.

Objets stellaires de masse planétaireEdit

L’ambiguïté inhérente à la définition de l’UAI a été mise en évidence en décembre 2005, lorsque le télescope spatial Spitzer a observé Cha 110913-773444 (ci-dessus), seulement huit fois la masse de Jupiter avec ce qui semble être les débuts de son propre système planétaire. Si cet objet avait été trouvé en orbite autour d’une autre étoile, il aurait été qualifié de planète.

En septembre 2006, le télescope spatial Hubble a imagé CHXR 73 b (à gauche), un objet en orbite autour d’une jeune étoile compagnon à une distance d’environ 200 UA. Avec 12 masses joviennes, CHXR 73 b est juste en dessous du seuil de fusion du deutérium, et donc techniquement une planète ; cependant, sa grande distance par rapport à son étoile mère suggère qu’elle n’a pas pu se former à l’intérieur du disque protoplanétaire de la petite étoile, et qu’elle a donc dû se former, comme les étoiles, par effondrement gravitationnel.

En 2012, Philippe Delorme, de l’Institut de planétologie et d’astrophysique de Grenoble en France a annoncé la découverte de CFBDSIR 2149-0403 ; un objet de 4 à 7 masses de Jupiter se déplaçant indépendamment et faisant probablement partie du groupe mobile AB Doradus, à moins de 100 années-lumière de la Terre. Bien qu’il partage son spectre avec une naine brune de classe spectrale T, Delorme émet l’hypothèse qu’il pourrait s’agir d’une planète.

En octobre 2013, des astronomes dirigés par le Dr Michael Liu de l’Université d’Hawaï ont découvert PSO J318.5-22, une naine L solitaire flottant librement, estimée posséder seulement 6.5 fois la masse de Jupiter, ce qui en fait la naine sub-brune la moins massive encore découverte.

En 2019, des astronomes de l’Observatoire de Calar Alto en Espagne ont identifié GJ3512b, une géante gazeuse d’environ la moitié de la masse de Jupiter orbitant autour de l’étoile naine rouge GJ3512 en 204 jours. Une si grande géante gazeuse autour d’une si petite étoile sur une orbite aussi large est très peu susceptible de s’être formée par accrétion, et il est plus probable qu’elle se soit formée par fragmentation du disque, comme une étoile.

SémantiqueEdit

Enfin, d’un point de vue purement linguistique, il y a la dichotomie que l’UAI a créée entre « planète » et « planète naine ». Le terme « planète naine » contient sans doute deux mots, un nom (planète) et un adjectif (naine). Ainsi, le terme pourrait suggérer qu’une planète naine est un type de planète, même si l’UAI définit explicitement une planète naine comme ne l’étant pas. Selon cette formulation, les termes « planète naine » et « planète mineure » sont donc considérés comme des noms composés. Benjamin Zimmer du Language Log résume la confusion : Le fait que l’UAI veuille que nous considérions les planètes naines comme distinctes des « vraies » planètes place l’élément lexical « planète naine » au même rang que des bizarreries telles que « lapin gallois » (qui n’est pas vraiment un lapin) et « huître des Rocheuses » (qui n’est pas vraiment une huître) ». Comme l’a fait remarquer Dava Sobel, historien et écrivain de vulgarisation scientifique qui a participé à la décision initiale de l’UAI en octobre 2006, dans une interview à la National Public Radio, « une planète naine n’est pas une planète, et en astronomie, il y a des étoiles naines, qui sont des étoiles, et des galaxies naines, qui sont des galaxies, donc c’est un terme que personne ne peut aimer, planète naine. » Mike Brown a noté dans une interview avec le Smithsonian que « la plupart des gens dans le camp dynamique ne voulaient vraiment pas du mot « planète naine », mais cela a été imposé par le camp pro-Pluton. Vous vous retrouvez donc avec ce bagage ridicule de planètes naines qui ne sont pas des planètes. »

À l’inverse, l’astronome Robert Cumming de l’Observatoire de Stockholm note que « le nom de « planète mineure » a été plus ou moins synonyme d' »astéroïde » pendant très longtemps. Il me semble donc assez insensé de se plaindre de toute ambiguïté ou de tout risque de confusion avec l’introduction de ‘planète naine’. »