Comètes
Une boule de neige sale qui se fait pousser deux queues - et aucune des deux ne la suit.
Pourquoi les comètes ont une queue
Niveau Débutant — langage simple, sans maths
Une comète passe presque toute sa vie sous la forme d'un bloc sombre de glace et de poussière, large de quelques kilomètres, à la dérive dans le système solaire externe et glacé. Rien en elle ne brille. C'est, comme aiment le dire les astronomes, une boule de neige sale.
Puis sa longue orbite en boucle la ramène vers l'intérieur, et vers la distance de la ceinture d'astéroïdes le Soleil devient assez fort pour compter. La glace ne fond pas en flaque : dans le vide elle passe directement du solide au gaz, un processus appelé sublimation. Des jets de gaz jaillissent du côté éclairé en entraînant de la poussière, et le petit noyau s'enveloppe d'un nuage lumineux appelé coma qui peut devenir plus grand qu'une planète.
Et voici la surprise. La queue ne traîne pas derrière la comète comme la fumée derrière un train. La lumière du Soleil et le vent solaire poussent le gaz et la poussière qui s'échappent à l'opposé du Soleil, quelle que soit la direction dans laquelle la comète file. À l'aller la queue la suit donc, et au retour la comète poursuit sa propre queue, en voyageant queue en avant.
Regarde bien : il y a deux queues, pas une. Une queue de poussière blanc-jaune, qui s'incurve parce que les gros grains gardent une part du mouvement orbital de la comète, et une queue d'ions droite et bleue, faite de gaz électriquement chargé, soufflée en ligne droite à l'opposé du Soleil par le vent solaire.
Bon à savoir
- La glace des comètes ne fond pas, elle se sublime - passe directement du solide au gaz - car il n'y a pas de pression atmosphérique dans l'espace pour tenir un liquide.
- La queue d'une comète pointe toujours à l'opposé du Soleil, donc sur le trajet de retour la comète voyage queue en avant.
- Les pluies de météores sont des restes de comètes : les Orionides de chaque octobre sont de la poussière perdue par la comète de Halley.
Sublimation, ligne des glaces et deux queues
Niveau Élève — les équations essentielles
L'activité s'allume à une distance, pas à une date. La glace d'eau commence à se sublimer fortement vers 3 UA du Soleil, si bien que la plupart des comètes sont des cailloux inertes au-delà de cette ligne et ne se réveillent qu'en la franchissant. Plus près, des glaces plus volatiles - dioxyde et monoxyde de carbone - entretiennent l'activité encore plus tôt, ce qui explique que certaines comètes montrent un coma alors qu'elles sont encore loin.
Le gaz qui s'échappe arrache de la poussière à la surface et gonfle le coma, qui peut atteindre \(10^5\) km de diamètre alors que le noyau ne fait que quelques km. Deux forces distinctes trient ensuite la matière échappée en deux queues :
La queue de poussière est poussée par la pression de radiation - des photons qui transportent une quantité de mouvement. Les grains sont assez lourds pour garder la mémoire de la vitesse orbitale de la comète, donc la queue reste en retard sur la direction antisolaire et paraît courbe, large et blanc-jaune de lumière solaire réfléchie.
La queue d'ions, c'est autre chose. L'ultraviolet solaire ionise le gaz, et le vent solaire magnétisé happe ces ions et les balaie à 400 km/s ou plus - bien plus vite que la comète ne se déplace, si bien que la queue pointe presque exactement à l'opposé du Soleil, droite et étroite. Elle brille en bleu parce que le monoxyde de carbone ionisé émet fortement à 420 nm.
Chaque passage coûte de la matière à la comète. Une comète à courte période typique perd environ un mètre de surface par orbite, et les débris laissés le long du trajet sont exactement ce que la Terre percute chaque année sous forme de pluie de météores.
Formules clés
| Début de la sublimation | \(r \approx 3\ \text{UA}\) | glace d'eau |
|---|---|---|
| Pression de radiation | \(F_{\text{rad}} = \dfrac{L_\odot A}{4\pi r^2 c}\) | incurve la queue de poussière |
| Vitesse du vent solaire | \(v_{sw} \approx 400\ \text{km/s}\) | redresse la queue d'ions |
Bon à savoir
- La ligne des glaces d'eau se situe vers 3 UA : au-delà la comète est inerte, en deçà la sublimation alimente coma et queues.
- La queue d'ions brille en bleu grâce à l'émission du CO⁺ à 420 nm ; la queue de poussière est jaunâtre parce qu'elle ne fait que réfléchir la lumière du Soleil.
- La comète de Halley perd plusieurs mètres de surface à chaque passage au périhélie et il lui reste peut-être 100 000 ans de vie active.
Physique du noyau, β et les réservoirs
Niveau Expert — profondeur mathématique complète
La forme de la queue de poussière découle d'un seul nombre sans dimension, \(\beta\), le rapport de la pression de radiation à la gravité solaire sur un grain. Comme les deux varient en \(1/r^2\), \(\beta\) est indépendant de la distance et ne dépend que de la taille et de la composition du grain, environ \(\beta \approx 0.6/(\rho a)\) en cgs. Les grains avec \(\beta > 1\) subissent une force nette vers l'extérieur et partent sur des trajectoires hyperboliques ; les plus lourds suivent des orbites képlériennes modifiées. Puisque des grains libérés à des instants différents et avec des \(\beta\) différents aboutissent à des endroits différents, la queue de poussière est une carte bidimensionnelle de l'histoire d'émission - la base de l'analyse de Finson-Probstein en syndynes et synchrones.
Les surfaces des noyaux comptent parmi les plus sombres connues, albédo autour de 0,04, et la sublimation se concentre dans des régions actives couvrant quelques pour cent de l'aire. Le reste est un manteau isolant de poussière. Cette localisation rend le dégazage anisotrope et produit une accélération non gravitationnelle qu'il faut inclure dans les ajustements d'orbite - l'effet qui a révélé le comportement anormal de 1I/'Oumuamua et qui domine l'évolution à long terme des comètes à courte période.
Deux réservoirs les alimentent. La ceinture de Kuiper et le disque des objets épars fournissent les comètes de la famille de Jupiter, à faible inclinaison et courte période, tandis que le nuage d'Oort, à peu près sphérique, entre \(10^4\) et \(10^5\) UA, fournit les comètes à longue période sur des orbites d'orientation aléatoire, poussées vers l'intérieur par les marées galactiques et le passage d'étoiles. La distribution des inclinaisons orbitales signe donc l'origine d'un objet.
Les deux années de Rosetta autour de 67P/Tchourioumov-Guérassimenko ont réécrit une bonne part des détails : un noyau bilobé et extrêmement poreux de densité moyenne proche de 0,5 g/cm³, un rapport D/H trois fois celui des océans terrestres - argument contre les comètes de la famille de Jupiter comme source principale de l'eau terrestre - et des molécules organiques complexes en abondance, glycine comprise.
Formules clés
| Rapport de pression de radiation | \(\beta = \dfrac{F_{\text{rad}}}{F_{\text{grav}}} \approx \dfrac{0.6}{\rho a}\) | indépendant de r |
|---|---|---|
| Force non gravitationnelle | \(\ddot{r} = A_1 g(r) + \ldots\) | dégazage anisotrope |
| Nuage d'Oort | \(10^4 - 10^5\ \text{UA}\) | |
| Densité moyenne de 67P | \(\rho \approx 0.5\ \text{g/cm}^3\) | plus de vide que de roche |
Bon à savoir
- β, le rapport de la pression de radiation à la gravité solaire, est indépendant de la distance : la structure de la queue de poussière cartographie donc directement l'histoire d'émission (syndynes et synchrones).
- Les noyaux cométaires sont plus sombres que du charbon, albédo ~0,04, la sublimation étant confinée à des régions actives de quelques pour cent de la surface.
- Rosetta a trouvé pour 67P un rapport D/H trois fois celui de l'eau océanique terrestre, argument contre les comètes de la famille de Jupiter comme voie principale d'apport de nos océans.