Un mystérieux objet situé au-delà de Pluton pourrait nous aider à expliquer comment notre système solaire s’est formé

L‘étude d’Arrokoth (image d’entête), un corps de la ceinture de Kuiper, promet de changer la façon dont nous estimons que se forment les éléments constitutifs des planètes. Ainsi, nous en saurons plus sur la façon dont naissent les planètes comme la Terre.

Située au-delà de l’orbite de Neptune et dans la ceinture de Kuiper, un disque de poussière ou  disque circumstellaire massif de petits vestiges de la formation du système solaire, Arrokoth (anciennement connue sous le nom de « Ultima Thulé ») représente l’objet le plus éloigné et le plus primitif jamais visité par une sonde spatiale.

Révélé par une petite quantité de données recueillies lors d’un survol effectué en janvier 2019 par la sonde New Horizons, le petit corps binaire à contact et à double lobes, ou objet de la ceinture de Kuiper 2014 MU69, son nom officiel, fait l’objet de trois nouvelles publications (liens plus bas). Les principales conclusions de ces études ont été révélées lors d’un point de presse tenu à Seattle, Washington, le 13 février 2020.

La trajectoire d’exploration de la sonde New Horizons. (NASA)

Les recherches nous donnent une image étonnamment détaillée de la composition et des origines du binaire et suggèrent de repenser la façon dont les blocs de construction planétaires, les planétésimaux, se forment.

Selon Marc Buie, du Southwest Research Institute, qui faisait partie de l’équipe de New Horizons qui a découvert l’objet pour la première fois :

Les données d’Arrokoth nous ont fourni des indices sur la formation des planètes et nos origines cosmiques. Nous pensons que cet ancien corps, composé de deux lobes distincts qui ont fusionné en une seule entité, peut abriter des réponses qui contribuent à notre compréhension de l’origine de la vie sur Terre.

Les chercheurs pensent que leurs résultats pourraient aider à écarter un modèle hiérarchique de la formation planétésimale, dans lequel des objets provenant de différentes zones de la nébuleuse de gaz et de poussière (le disque circumstellaire) entrent violemment en collision pour créer des corps plus grands.

La forme d’Arrokoth, avec ses deux lobes distincts, semble favoriser un processus de formation beaucoup plus délicat, celui d’effondrements locaux de nuages. Cela impliquerait que des régions de la nébuleuse s’effondrent avec des particules plus petites s’accumulant progressivement ensemble.

Si les planétésimaux se forment différemment de ce qui a été modélisé précédemment, le fait qu’ils soient les éléments constitutifs des planètes signifie que nous pourrions également avoir à réviser nos idées sur la façon dont les planètes elles-mêmes se forment.

Comme ce planétésimal est composé de matière pure et inchangée, son étude détaillée pourrait répondre à de vieilles questions sur les éléments qui étaient présents pendant la phase de formation des planètes du système solaire.

Selon Alan Stern, le chercheur principal de la mission New Horizons, en décrivant la ceinture de Kuiper où se cachent les planétésimaux glacés et les planètes naines :

La mission de la sonde New Horizon était d’explorer la « troisième zone » du système solaire. C’est la région la mieux préservée du système solaire, importante pour comprendre ses origines.

Chacune des trois études distinctes se concentre sur différents aspects de la formation et de la composition d’Arrokoth, offrant de nouvelles perspectives sur les planétésimaux ainsi que sur les conditions et la composition du système solaire primitif.

William McKinnon et son équipe ont étudié comment Arrokoth a obtenu sa forme binaire unique, découvrant que ses deux « lobes » étaient autrefois des corps indépendants séparés.

Ils pensent que les deux objets séparés qui composent Arrokoth se sont formés dans le même environnement et se sont unis par un processus étonnamment lent. Ils estiment qu’Arrokoth s’est formée à la suite d’un effondrement local de la nébuleuse.

Pour McKinnon, professeur de sciences de la Terre et des planètes à l’Institut de technologie de Californie, à propos des deux lobes d’Arrokoth :

Ils ne font que se toucher, c’est presque comme s’ils s’embrassaient. Rien ne prouve que la fusion de ces deux lobes ait été violente. Il n’y a aucun signe de perturbation catastrophique.

La vitesse de fusion a dû être très faible.

Les deux méthodes dominantes pour la formation des planétésimaux. Les observations d’Arrokoth ont peut-être exclu le modèle à haute vitesse (High velocity). (McKinnon)

Tandis que McKinnon et son équipe se concentraient sur l’évolution de la forme distinctive d’Arrokoth, des chercheurs dirigés par John Spencer du Southwest Research Institute (Etats-Unis) étudiaient cette forme dans les moindres détails.

Spencer et ses collègues révèlent que les lobes binaires d’Arrokoth ont une forme aplatie et un volume plus important que ce que l’on croyait à l’origine. Ils sont également presque parfaitement alignés.

Selon Spencer :

Cela nous indique que ce ne sont pas des objets qui se sont juste emboîtés les uns dans les autres. Ils ont orbité l’un autour de l’autre pendant longtemps, dérivant doucement ensemble.

L’équipe a également pu vérifier les détails de la surface du binaire de contact, décrivant dans leur document de recherche une face lisse avec seulement de petits cratères. Cela signifie qu’Arrokoth se distingue des corps du système solaire déjà visités, ayant été frappés par très peu d’autres objets. Il en résulte que la composition d’Arrokoth n’est pas polluée et peut donc représenter notre meilleure chance d’étudier les éléments constitutifs du système solaire.

Les autres comètes qui se forment plus près du Soleil évoluent très rapidement en raison des environnements intenses dans lesquels elles se trouvent. En comparaison, les planétésimaux qui se forment loin du Soleil demeurent relativement inchangés, dans le cas d’Arrokoth, pendant 4 milliards d’années.

Will Grundy de l’université de l’Arizona et l’équipe de recherche avec laquelle il a travaillé ont été chargés d’étudier la composition, la couleur et la température de la surface d’Arrokoth. Ils ont découvert que la teinte rouge distinctive et uniforme du planétésimal est le résultat de la présence de molécules organiques complexes non identifiées, des molécules formées de carbone, d’azote, d’oxygène entre autres éléments, présentes dans la glace de méthanol.

Composite de 2014 MU69 (Arrokoth), compilée à partir de données obtenues par la sonde New Horizons lors de son survol de l’objet le 1er janvier 2019. L’image combine des données de couleur améliorées (proches de ce que l’œil humain verrait) avec des images panchromatiques détaillées à haute résolution. (NASA/ Université Johns Hopkins Laboratoire de physique appliquée/ Southwest Research Institute/Roman Tkachenko)

L’étude de Grundy avance plusieurs suggestions quant à la manière dont ce méthanol congelé a pu se former sur l’objet de la ceinture de Kuiper, notamment la formation par irradiation du mélange d’eau et de glace de méthane par les rayons cosmiques. L’équipe n’a pas été en mesure de détecter la présence d’eau sur Arrokoth, mais elle pense qu’elle pourrait être présente.

L’uniformité de la couleur et de la composition de la surface du binaire fourni la troisième source de preuves pour appuyer la théorie selon laquelle il s’est formé à la suite de l’effondrement d’une nébuleuse locale.

Stern ne minimise pas l’importance de cette preuve qui soutient un nouveau modèle de formation planétésimale, l’effondrement de nuages locaux. En le comparant à la découverte du fond diffus cosmologique qui a finalement mis fin à la concurrence entre les différents modèles de l’origine de l’univers, il déclare :

C’est un merveilleux cadeau scientifique. C’est vraiment un moment décisif.

Stern conclut que chacun des attributs d’Arrokoth observés pointe vers le modèle d’effondrement des nuages. Quant à l’avenir, il affirme que la mission New Horizons a inspiré d’autres chercheurs désireux de revisiter un autre occupant de la ceinture de Kuiper, la planète naine Pluton.

Stern souligne également que même si la sonde New Horizons a « encore beaucoup de carburant dans son réservoir », la mission idéale serait d’étudier Pluton pendant quelques années avant de partir à la recherche d’autres corps dans la ceinture de Kuiper.

Les 3 études publiées dans Science :

• The geology and geophysics of Kuiper Belt object (486958) Arrokoth
• The solar nebula origin of (486958) Arrokoth, a primordial contact binary in the Kuiper Belt
• Color, composition, and thermal environment of Kuiper Belt object (486958) Arrokoth