Le Système Solaire GLST 202

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1 Le Système Solaire GLST 202 E. Josselin Université Montpellier II E. Josselin Le Système Solaire 1/51

2 Outline 1 Généralités 2 Les planètes telluriques 3 Les planètes géantes gazeuses 4 Les petits corps 5 Formation du Système Solaire E. Josselin Le Système Solaire 2/51

4 Généralités Définitions Définition générale Ensemble des planètes soumis à la gravitation du Soleil : 8 planètes et leurs statellites, planètes naines (gros astéroïdes, objets trans-neptuniens), comètes, poussières interplanétaires... Rayon u.a. ; masse M Plan de révolution de l orbite terrestre : écliptique. Toutes le planètes sont dans le même plan, et ont le même sens de révolution. E. Josselin Le Système Solaire 4/51

5 Généralités Définitions E. Josselin Le Système Solaire 5/51

6 Généralités Définitions Résolutions de la XXVIe Assemblée Générale de l Union Astronomique Internationale (2006) Resolution 5 Definition of a Planet in the Solar System Contemporary observations are changing our understanding of planetary systems, and it is important that our nomenclature for objects reflect our current understanding. This applies, in particular, to the designation "planets". The word "planet" originally described "wanderers" that were known only as moving lights in the sky. Recent discoveries lead us to create a new definition, which we can make using currently available scientific information. E. Josselin Le Système Solaire 6/51

7 Généralités Définitions The IAU therefore resolves that planets and other bodies, except satellites, in our Solar System be defined into three distinct categories in the following way : 1 A planet (1) is a celestial body that a. is in orbit around the Sun, b. has sufficient mass for its self-gravity to overcome rigid body forces so that it assumes a hydrostatic equilibrium (nearly round) shape, and c. has cleared the neighbourhood around its orbit. 2 A "dwarf planet" is a celestial body that a. is in orbit around the Sun, b. has sufficient mass for its self-gravity to overcome rigid body forces so that it assumes a hydrostatic equilibrium (nearly round) shape (2) c. has not cleared the neighbourhood around its orbit, and d. is not a satellite. 3 All other objects (3), except satellites, orbiting the Sun shall be referred to collectively as "Small Solar System Bodies". Footnotes Resolution 5 (1) The eight planets are : Mercury, Venus, Earth, Mars, Jupiter, Saturn, Uranus, and Neptune. (2) An IAU process will be established to assign borderline objects into either dwarf planet and other categories. (3) These currently include most o f the Solar System asteroids, most Trans- Neptunian Objects (TNOs), comets, and other small bodies. E. Josselin Le Système Solaire 7/51

8 Généralités Définitions Resolution 6 Pluto The IAU further resolves : Pluto is a "dwarf planet" by the above definition and is recognized as the prototype of a new category of Trans-Neptunian Objects (1). Footnote Resolution 6 (1) An IAU process will be established to select name for this category. E. Josselin Le Système Solaire 8/51

9 Généralités Les planètes telluriques Les planètes géantes gazeuses Les petits corps Formation du Système Solaire Généralités Définitions E. Josselin Le Système Solaire 9/51

10 Généralités Paramètres orbitaux des planètes Lois de Kepler Les orbites planétaires sont elliptiques, le Soleil est situé à un foyer. (paramètre important : excentricité, en général 1) le rayon vecteur Soleil - planète balaie des aires égales en des temps égaux. ( vitesse orbitale plus grande au périhélie qu à l aphélie ) (demi grand axe de l ellipse) 3 / (période de révolution) 2 = constante = GM /4π 2. (outil de mesure de distance... et de masse!) E. Josselin Le Système Solaire 10/51

11 Généralités Paramètres orbitaux des planètes Table : Paramètres orbitaux des planètes du Système Solaire. Nom distance moyenne Période de révolution nombre de satellites (u.a.) Mercure jours 0 Vénus jours 0 Terre jours 1 Mars an 322 jours 2 Jupiter ans 315 jours 67 Saturne ans 167 jours > 62 Uranus ans 7 jours 27 Neptune ans 280 jours 14 E. Josselin Le Système Solaire 11/51

12 Généralités Définitions E. Josselin Le Système Solaire 12/51

13 Généralités Paramètres physiques des planètes Table : Paramètres physiques des planètes du Système Solaire. Nom diamètre équatorial Masse Densité Atmosphère (km) (M ) Mercure Vénus CO 2 Terre N 2, O 2 Mars CO 2 Jupiter H, He, CH 4, NH 3 Saturne H, He, CH 4, NH 3 Uranus H, He, CH 4, NH 3 Neptune H, He, CH 4, NH 3 E. Josselin Le Système Solaire 13/51

14 Généralités Eléments de planétologie comparée paramètres-clés Masse et pesanteur : - capacité à retenir une atmosphère - évolution crustale, chaleur et différentiation interne - gradients internes de pression (magmas) - rétention des éjecta (impactisme & volcanisme) Localisation et composition chimique : - planètes telluriques, proches du Soleil : Fe, silicates, éléments radioactifs. Densité 5 - planètes géantes gazeuses, au-delà de 5 u.a. : H, He. Densité 1 Facteurs d évolution : externe (impacts, érosion) et internes (tectonique, volcanisme) E. Josselin Le Système Solaire 14/51

15 Généralités Les planètes telluriques Les planètes géantes gazeuses Les petits corps Formation du Système Solaire Généralités Eléments de planétologie comparée Facteurs d évolution Erosion : Action sur Vénus, Terre, Mars et Titan (atmosphère) : sédimentation, érosion fluviatile, tempêtes de poussières Impactisme : Ondes de choc de haute pression : déformation, excavation, éjection Taille de l impacteur : bol, cirque, bassin Tectonique induite! Impacts géants : Caloris Basin sur Mercure, failles sur Phobos Impacts aussi sur les planètes géantes gazeuses! (cf. Shoemaker-Levy 9 sur Jupiter, 1994) E. Josselin Le Système Solaire 15/51

16 Généralités Les planètes telluriques Les planètes géantes gazeuses Les petits corps Formation du Système Solaire Généralités Eléments de planétologie comparée E. Josselin Le Système Solaire 16/51

17 Généralités Eléments de planétologie comparée E. Josselin Le Système Solaire 17/51

19 Généralités Eléments de planétologie comparée Facteurs d évolution Tectonique : Réchauffement ou refroidissement global : formation du noyau, changement de phase du manteau expansion ou contraction globale Convection dans le manteau : plaques terrestres, plaques molles et points chauds sur Vénus Forces de marée Volcanisme : - type effusif : lave très fluide, basaltique. Origine : manteau profond - laves moins fluides : accumulation en hauteur (Hawaii, Tharsis & calderas sur Mars) - stratovolcans : matériaux d origine crustale (Vésuve, Etna, Ceraunius Tholus sur Mars) 80% de la surface de Vénus est volcanique! (coronae, arachnoïdes, novae...) E. Josselin Le Système Solaire 19/51

22 Généralités Les planètes telluriques Les planètes géantes gazeuses Les petits corps Formation du Système Solaire Les planètes telluriques Mercure E. Josselin Le Système Solaire 22/51

23 Les planètes telluriques Mercure Mercure Proximité du Soleil - quasi-synchronisation (3 jours 2 ans) - Température élevée (face au Soleil) - Atmosphère transitoire et ténue, issue du vent solaire - Exploration difficile! (1974 : Mariner 10 ; Messenger : 2011 ; BepiColombo : > 2015) Relief : surface similaire à la lune (forte cratérisation) sommet le + haut : 4600m ; fosse la + profonde : 2500m densité = 5,43 g cm 3 cratères plus petits que sur la Lune (3,34 g cm 3 ) Noyau riche en Fer fort champ magnétique E. Josselin Le Système Solaire 23/51

24 Généralités Les planètes telluriques Les planètes géantes gazeuses Les petits corps Formation du Système Solaire Les planètes telluriques Vénus E. Josselin Le Système Solaire 24/51

25 Les planètes telluriques Vénus Vénus atmosphère épaisse et dynamique (nuages) : P(rotation des nuages) = 4 jours ; P(sol) = 90 atm ; T(sol) = 480 C roches basaltiques (volcans) Sommet le + haut : m ; fosse la + profonde : 2000 m Volcanisme toujours actif? Variations de la teneur atmosphérique en dioxyde de soufre... (Venus Express, 2012) E. Josselin Le Système Solaire 25/51

26 Les planètes telluriques Mars E. Josselin Le Système Solaire 26/51

27 Les planètes telluriques Mars Mars Structure interne : - noyau ferreux (R = 1300 à 2000 km) - manteau convectif de silicates (1100 à 1800 km) - croûte de basalte (40 à 50 km), trois fois plus épaisse que la croûte terrestre (bloquant toute activité tectonique) Sommet le + haut : 27 km ; Fosse la + profonde : 6 km Dichotomie Nord-Sud : - Terrains du sud hauts et fortement cratérisés ; 2 bassins d impact majeurs : Argyre et Hellas - Terrains du nord peu cratérisés, faibles altitudes. Dômes : soulèvements de la croûte (volcans). Olympus Mons : le plus haut volcan du Système Solaire! canyon de Valles Marineris : long de 4500 km, profondeur jusqu à 6 km E. Josselin Le Système Solaire 27/51

28 Les planètes telluriques Mars E. Josselin Le Système Solaire 28/51

29 Les planètes telluriques Mars Mars Importantes variations chaotiques de son obliquité (Terre : stabilisation par la Lune) P(rotation) = 24h 37min - T(sol) -123 à 37 C Calottes polaires : glaces de H 2 O et CO 2 2 satellites : Phobos & Deimos, riches en glaces... asté roïdes capturés! Eau liquide? Spectromètre à neutrons (Mars Odyssey 2002) : vastes quantités de glace dans le sous-sol de Mars (à 1 m) pergélisol / permafrost E. Josselin Le Système Solaire 29/51

30 Les planètes telluriques Mars fine couche de givre de quelques mm sur Utopia Planitia (zone d atterrissage de Viking 2, mai 1979) E. Josselin Le Système Solaire 30/51

31 Généralités Les planètes telluriques Les planètes géantes gazeuses Les petits corps Formation du Système Solaire Les planètes telluriques Mars E. Josselin Le Système Solaire 31/51

33 Les planètes géantes gazeuses Introduction E. Josselin Le Système Solaire 33/51

34 Les planètes géantes gazeuses Jupiter E. Josselin Le Système Solaire 34/51

35 Les planètes géantes gazeuses Jupiter Jupiter Composition solaire ( 90% H), masse (beaucoup) trop faible pour une étoile... Molécules complexes (CH 4, NH 3...) couleurs des nuages Ouragans violents. Grande tache rouge : anticyclone de km km Structure interne : - Coeur : roches + glaces. 0.2 R J, K - manteau : H métallique R J, K - atmosphère : H 2, He. Surface : 170 K Des anneaux! E. Josselin Le Système Solaire 35/51

36 Les planètes géantes gazeuses Jupiter Satellites galiléens Io : volcanisme induit par effet de marée (éjection de SO 2 ) Europe : banquise de glace en évolution ; fluide en sous-sol? Callisto : atmosphère très ténue. océans souterrains? Ganymède : le plus gros satellite naturel du Système Solaire. E. Josselin Le Système Solaire 36/51

37 Généralités Les planètes telluriques Les planètes géantes gazeuses Les petits corps Formation du Système Solaire Les planètes géantes gazeuses Saturne E. Josselin Le Système Solaire 37/51

38 Les planètes géantes gazeuses Saturne Saturne La seule planète solaire moins dense que l eau! Anneaux : Diamètre = km. Fragmentés (divisions). Répartition irrégulière des particules, influence du champ magnétique... et des satellites. Lune de Keeler E. Josselin Le Système Solaire 38/51

39 Généralités Les planètes telluriques Les planètes géantes gazeuses Les petits corps Formation du Système Solaire Les planètes géantes gazeuses Saturne E. Josselin Le Système Solaire 39/51

40 Les planètes géantes gazeuses Saturne Titan Le plus gros satellite de Saturne : R = 2575 km, densité = 1.91 Atmosphère (découverte en 1908) : T(sol) = 92 K, P(sol) = 1.5 atm Azote + 2-6% de méthane + molécules organiques complexes (photochimie) Le méthane est fragile réservoir (sub-)surface? Activité atmosphérique : nuages, super rotation : vents dirigés vers l est, jusqu à 34 m/s! Structures linéaires : canaux fluviaux et/ou structures tectoniques Cratères ( km) E. Josselin Le Système Solaire 40/51

41 Les planètes géantes gazeuses Uranus et Neptune Prototypes de planètes océans... Triton, satellite de Neptune : observation de geysers. E. Josselin Le Système Solaire 41/51

43 Les petits corps Astéroïdes "Potentially Hazardous Asteroids" (géocroiseurs) : 1457 connus E. Josselin Le Système Solaire 43/51

44 Les petits corps Objets de Kuiper (trans-neptuniens) Pluton rayon = 1200 km, densité = 1.1 semblable aux lunes des planètes géantes inclinaison de l orbite 17 surface : méthane gelé E. Josselin Le Système Solaire 44/51

45 Les petits corps Les comètes Comètes Origines principales : - ceinture de Kuiper (courtes P) - nuage de Oort (longues P) boule de "neige sale" (Whipple, 1950) Composition : H 2 O, CO, CO 2, méthanol, molécules complexes, poussières orbites très elliptiques sublimation au périhélie Rôle dans la formation des océans terrestres? E. Josselin Le Système Solaire 45/51

46 Les petits corps Les comètes E. Josselin Le Système Solaire 46/51

47 Généralités Les planètes telluriques Les planètes géantes gazeuses Les petits corps Formation du Système Solaire Les petits corps Les comètes Mission Rosetta : module Philae (comète 67P/Churyumov-Gerasimenko) E. Josselin Le Système Solaire 47/51

48 Les petits corps Météorites Météorites Chondrites carbonées : matériau primitif du Système Solaire (non altéré, comme sur Terre) étude chimique, datation (radioactive) Autres types : ferreux (Fe-Ni), rocheux (silicates) Impacts terrestres : Chicxulub (extinction K-T), Tunguska Spécimens rares : roches lunaires et martiennes (ALH ) E. Josselin Le Système Solaire 48/51

50 Formation du Système Solaire Modèle hypothèse nébulaire E. Kant (1755), P.-S. Laplace (1796) Contraction d un nuage de gaz moléculaire (H2, CO 2, H 2 O) froid ( 10 K), sous l effet de sa propre gravitation. Conservation du moment cinétique + frottements formation d un disque en rotation, forte concentration au centre (le proto Soleil). Accrétion du disque vitesse de rotation jusqu à individualisation de plusieurs anneaux de matière (force centrifuge) formation des planètes. Hypothèse des protoplanètes : Condensation du gaz sur la poussière (SiO + Mg, Si, S, Fe) enveloppes de glace Régions internes (plus denses) : effondrement rapide le proto Soleil se forme avant les planètes. Régions externes : évolution lente, formation d un disque mince de particules glacées et d un disque plus épais d H et He. E. Josselin Le Système Solaire 50/51

51 Formation du Système Solaire Modèle E. Josselin Le Système Solaire 51/51