Mercredis de Meudon18 janvier 2006

Des siècles d’observations scientifiques : l’émergence

du concept moderne de comète

Jacques CrovisierObservatoire de Paris

comète Hale-Bopp (C/1995 O1)

comète Donati (C/1858 L1)J. Verne, Hector Servadac (1877)

comète Donati (C/1858 L1)Guillemin, Les Comètes (1875)

comète Hale-Bopp (C/1995 O1)

La prétendue « comète d’Ambroise Paré »

Peter CreutzerProspectus

1527

Pierre BoaistuauHistoires

prodigieuses1560

Ambroise ParéLes Monstres

1573

CamilleFlammarionAstronomiePopulaire

1880

Pourquoi étudier les comètes ?• le curieux :

• qu'est-ce qu'une comète ?• comment ça marche ?

• le physicien : un laboratoire d'exception

• l'astronome : • un test de la théorie de la gravitation• une clé pour comprendre l'origine du

Système solaire

• l'astrobiologiste : les relations comètes — Terre• un apport de molécules prébiotiques• un danger potentiel

Les grandes dates de la science des comètes — I 1531 P. Apian et J. Fracastor observent que les queues des comètes sont opposées au Soleil. 1577 Tycho Brahé et d'autres observateurs mesurent la parallaxe de la comète de 1577, établissant qu'elle est plus loin que la Lune, alors que l'on croyait que les comètes étaient des phénomènes atmosphériques. ca 1600 J. Kepler propose ses fameuses lois, qui permettront de comprendre les orbites cométaires. 1686 I. Newton calcule l'orbite de la comète de 1680 et montre qu'elle a décrit une parabole autour du Soleil. 1705 E. Halley réalise que les comètes de 1531, 1607 et 1682 sont un seul et même objet et prédit son retour pour 1758. 1758 Le retour de la comète de Halley est effectivement observé comme prévu. 1812 H.W.M. Olbers, puis F.W. Bessel en 1836 proposent que les queues de comètes sont constituées de particules solides repoussées par le Soleil. 1819 F. Arago mesure la polarisation de la comète de 1819, établissant ainsi qu'elle réfléchissait la lumière du Soleil et n'était pas un objet lumineux par lui-même. 1858 Les premières photographies d'une comète, C/1858 L1 (Donati), sont prises par W. Usherwood et W.C. Bond. 1864 Première observation spectrale d'une comète, la comète C/1864 N1 (Tempel) par G. Donati. 1866 J.V. Schiaparelli relie l'essaim météoritique des Perséides à la comète 109P/Swift-Tuttle. 1881 Premier spectre photographique d'une comète, la Grande comète C/1881 K1 par W. Huggins. ca 1900 Plusieurs chercheurs, comme H. Deslandres et F. Baldet à l'Observatoire de Meudon, identifient les bandes observées dans les spectres cométaires à des radicaux et ions observés dans des spectres de laboratoire.

Les grandes dates de la science des comètes — II ca 1930—1940 K. Wurm puis P. Swings proposent que les radicaux observés dans les comètes proviennent de molécules mères telles que l'eau, l'ammoniac, le méthane. 1950 J.H. Oort, poursuivant les idées d'Öpik (1932), postule l'existence d'un réservoir de comètes vers 10000 unités astronomiques, source de comètes dynamiquement nouvelles: le nuage de Oort. ca 1950 G. Kuiper (et indépendamment K.E. Edgeworth vers 1948) postulent l'existence d'une ceinture d'objets trans-Neptuniens. ca 1950 F. Whipple propose son modèle de noyau cométaire en boule de neige sale. ca 1950 P. Swings et ses collègues calculent à Liège des spectres synthétiques de fluorescence moléculaire reproduisant fidèlement les spectres des comètes. 1951 L. Biermann suivi par H. Alfvén (1957) émettent l'hypothèse de l'existence d'un vent solaire pour expliquer les queues d'ions des comètes. 1973 L'apparition de la comète C/1973 E1 (Kohoutek) est l'occasion d'une campagne d'observation internationale conjuguant moyens spatiaux et instruments au sol, préfigurant les campagnes d'observations modernes comme celle de la comète de Halley. 1986 Exploration spatiale de la comète de Halley, appuyée par une importante campagne d'observations au sol (International Halley Watch). 1992 J. Luu et D. Jewitt découvrent le premier objet trans-Neptunien 1992 QB1. 1994 La chute de la comète Shoemaker-Levy 9 sur Jupiter est observée. 1996—1997 Les grandes comètes C/1996 B2 (Hyakutake) et C/1995 O1 (Hale-Bopp). Leurs observations ont conduit à d'importants résultats. Entre autres, la découverte d'une vingtaine de nouvelles molécules cométaires et la première détection d'une émission de rayons X par des comètes. 2001—2006 Nouveau départ de l'exploration spatiale des comètes avec le survol de 19P/Borrelly par Deep Space 1 en septembre 2001, le survol en janvier 2004 de 81P/Wild 2 par Stardust qui rapporte des échantillons de poussière en janvier 2006, le lancement de Rosetta en mars 2004, l'expérience Deep Impact sur 9P/Tempel 1 le 4 juillet 2005.

Les orbites cométaires

Halley, 1705, Phil. Trans. Roy. Soc. 24, 1882

Edmond Halley : Synopsis de l’astronomie des comètes (1705)

1758 !!

Edmond Halley (1656—1742)

« He now talks, swears and drinks brandy

like a see captain. » d’après Flamstead, 1703

(un rival envieux)

Qui était Halley ?

Le monde des comètes

Arago 1853 2004

Le cataloguedes orbites cométaires

Édition de mars 2003 du Catalogue of cometary orbits

2358 apparitions de 1642 comètes différentes.

274 orbites elliptiques de période < 200 ans : comètes à courte période274 orbites elliptiques de période > 200 ans : comètes à longue période910 orbites paraboliques184 orbites hyperboliques : elles vont quitter notre Système solaire

Les queues des comètes

La nature des comètes

Les premiers atlas de formes cométaires

Le Livre de soie(IVe siècle av. JC, Chine)

Hevelius, Cometographia, 1668

Pierre Apian (1495—1552) : les queues cométaires sont opposées au Soleil

Grande comète de 1881photographie de J. Janssen à Meudon

C/1995 O1 (Hale-Bopp)Cliché ESO

L’ère de la photographie astronomique

© N

. B

iver

En marge des

techniques modernes,

il est toujours possible

de dessiner

les comètes

« Les astronomes classiques ont beau s'en excuser, ils font preuve d'une assez forte dose d'imagination lorsqu'ils admettent sans sourciller qu'il y ait là une colonne de vapeur réelle, au lieu d'y voir une simple illumination de l'éther, illumination d'un ordre spécial et d'une nature inconnue. »

(Flammarion, 1881, La Nature, p. 227)

H.W.M. Olbers (1812), puis F.W. Bessel en 1836 proposent que les queues de comètes sont constituées de particules solides repoussées par le Soleil.

La nature des queues de comète

Mais la controverse fait rage pendant une bonne partie du XIXe siècle

Le drapeau planté sur la Lune,flottant dans le vent solaire…

un troisième type de queue est observé

dans la comète Hale-Bopp :la queue de sodium

on ne sait toujours pasd’où provient

le sodium cométaire !

continuum+ ions

continuum+ sodium

En 1951, L. Biermann, suivi par H. Alfvén en 1957, émettent l'hypothèse de l'existence d'un vent solaire pour expliquer les queues d'ions des comètes.

La réalité du vent solaire sera confirmée plus tard par les sondes spatiales.

Giovanni Schiaparelli(1835—1910)

La connexion comètes—étoiles filantes

Léonides 1833 Léonides 2002

Les perséides et la comète 109P/Swift-Tuttle

Les léonides et la comète

55P/Tempel-Tuttle

Poussières cométaires

poussière interplanétaireprélevée dans la haute atmosphère par

un avion stratosphériqueU2 — taille : 10 m

un grain récolté parla station orbitale MIR

Taille : 5 m

Poussières cométaires

2 janvier 2004 : Stardust prélèvedes échantillons de poussière

dans 81P/Wild 2

le retour de la capsulele 15 janvier 2006

particules piégéesdans l’aérogel(simulation)

Les noyaux cométaires

Les noyaux cométaires :mythe ou réalité ?

différentes représentations de noyaux cométaire (Donn, Weissman et al., ca 1980)

« La question de savoir si les noyaux des comètes sont opaques ou diaphanes, s’ils doivent être considérés comme des corps solides ou comme de simples amas de vapeurs, est très-importante. »(F. Arago, 1853, Astronomie Populaire)

Les noyaux cométaires :mythe ou réalité ?

ils existent :on les a rencontrés

on les a vus !on les a même

touchés !

Les noyaux cométaires sont cependant des objets très fragiles :ils se cassent facilement

Comète 3D/Biela (1846)

73P/Schwassmann-Wachmann 3 (1995)

D/1993 F2 Shoemaker-Levy 9

La nature chimiquedes comètes

Une révolution : la spectroscopie

[À propos des astres] « Nous concevons la possibilité de déterminer leurs formes, leurs distances, leurs grandeurs et leurs mouvements ; tandis que nous ne saurons jamais étudier par aucun moyen leur composition chimique, ou leur structure minéralogique… » (Auguste Comte, Cours de philosophie positive, tome 2, 1835)

« Et cette analyse spectrale, peut-être plus admirable encore, puisqu’elle nous permet de faire l’analyse chimique d’astres situés dans les profondeurs infinies du ciel comme s’ils étaient entre nos mains et dans nos creusets, en sorte que j’ai pu dire dans une lecture récente sur la Chimie céleste : Ô étoile ! envoie-moi un de tes rayons, j’écrirai ton histoire. » (Jules Janssen, Science et Poésie, 1903, Annuaire du Bureau des longitudes.)

Premier spectre cométaireobservé — visuellement —

par G. B. DonatiC/1864 N1 (Tempel)

Donati, 1864, Astron. Nachr., 62, 375

Giovanni Donati(1826—1873}

C/2001 A2 (LINEAR)réseau + caméra CCD

© C. Buil

1868 : première identification des bandes d’émission cométaires

par Huggins (1824—1910)

cellule àétincelles

comète

spectroscopeéchantillonde gaz

lunetteWilliam Huggins(1824—1910)

Huggins, 1868, Phil. Trans. 158, 529(adapté par Schellen)

Soleil

Carbone (huile d’olive)

Carbone (éthane)

C/1868 L1 (Winnecke)

5D/Brorsen

Spectre d’étincelle

Fernand Baldet (1885—1964)observant au télescope Baillaud

du Pic du Midi en 1909

Henri Deslandres(1853—1948)

Spectroscopie cométaire :l’école de Meudon

Spectre de la comète C/1908 R1 (Morehouse) comparé à des spectres de laboratoirede la Baume Pluvinel & Baldet 1911

Spectroscopie visible contemporaine :9P/Tempel 1 avec les télescopes de l’ESO

Détection de l'éthylène glycol (l’« anti-gel ») dans la comète Hale-Bopp

avec les radiotélescopes de l'IRAM et du CSO(Crovisier et al. 2004, A&A, 418, L35)

La recherche de molécules complexesen radioastronomie millimétrique

Le phénomène comète

Mais les comètes ne suivent pas rigoureusement les lois de Kepler.Le calcul des perturbations gravitationnelles par les planètes géantesest un triomphe de la mécanique céleste newtoniène au XVIIIe siècle.

Des écarts subsistent cependant :des effets non-gravitationnels sont présents !

« Comparons les intervalles entre les retours successifs de la comète d'Encke à son périhélie, en tenant compte de toutes les perturbations dues à l'attraction planétaire, et nous verrons que les périodes diminuent graduellement, c'est-à-dire que le grand axe de l'ellipse de la comète va toujours se raccourcissant dans une proportion lente, mais toujours régulière. Or, c'est précisément le cas qui doit avoir lieu si nous supposons que la comète subisse une résistance d'un milieu éthéré excessivement rare qui pénètre les régions de son orbite. »

(Aventure sans pareille d'un certain Hans Pfaall, Edgar Poe, 1835)

Johann Franz Encke(1791—1865)

En 1950, Fred Whipple (1906-2004) proposa le modèle de la « boule de neige sale » pour représenter les noyaux cométaires

et expliquer les forces non-gravitationnelles

Le modèle de Whipple explique également les forces non-gravitationnelles qui s’exercent sur les noyaux cométaires.

Les familles de comètes :l’évolution dynamique

Jan Oort(1900—1992)

Gerard Kuiper(1905—1973)

Ludwig Biermann(1907—1986)

le nuage le ventla ceinture

Vers les comètes :l’exploration spatiale

Hector ServadacJules Verne (1877)

Palmyrin Rosette

Les débuts de l'explorationspatiale des comètes

Deep Impact...

…et la renaissance du Baltimore Gun-Club.© Jules Verne

Impey BarbicaneM.F. A’Hearn

L'AstronomieSept. 2004

« La comète est le Deus ex machina ; toutes les fois qu’on est embarrassé en cosmographie, on appelle une comète à son secours. C’est l’astre le plus complaisant que je connaisse, et, au moindre signe d’un savant, il se dérange pour tout arranger ! »

Jules Verne, Voyages et Aventures du Capitaine Hatteras, 1866

Pour en savoir plus :les comètes pour les nuls :

http://wwwusr.obspm.fr/~crovisie/promenade/

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