Système solaire

Jusqu’où s’étend le Système solaire ?

Voyager 1 et 2 ont franchi l'héliopause, la limite de la région dominée par le vent solaire. Au-delà, le plasma — une matière composée de particules chargées électriquement — présente davantage les caractéristiques du milieu entre les étoiles que celles du plasma venu du Soleil. C'est pourquoi cette région est appelée espace interstellaire. Pourtant, si le Système solaire comprend les corps qui orbitent autour du Soleil, le nuage de Oort, encore jamais observé directement, pourrait s'étendre des centaines de fois plus loin que cette limite. Entrer dans l'espace interstellaire ne signifie pas avoir dépassé tous les corps du Système solaire.

L'influence du Soleil ne s'éteint pas entièrement en un point précis. La lumière solaire faiblit avec la distance, le vent solaire change de direction au contact de la matière interstellaire et la gravité diminue avec le carré de la distance, tout en continuant d'agir sur l'orbite de comètes extrêmement lointaines. Avant de demander où finit le Système solaire, il faut donc préciser si l'on cherche la limite des planètes, du plasma émis par le Soleil ou des corps capables d'orbiter autour de lui.

• Environ 30 UA Distance moyenne de Neptune au Soleil, la plus lointaine des huit planètes
• Environ 122 et 119 UA Distances auxquelles Voyager 1 et 2 ont rencontré l'héliopause dans deux directions
• Environ 2 000 à 5 000 UA Estimation de la limite intérieure du nuage de Oort selon les modèles
• Environ 10 000 à 100 000 UA Estimations très variables de sa limite extérieure selon les modèles

Que trouve-t-on au-delà de Neptune ?

Si l'on ne compte que les huit planètes, Neptune est la plus éloignée, à environ 30 UA. Mais au-delà, entre environ 30 et 50 UA, la ceinture de Kuiper contient Pluton et de nombreux autres corps. Les objets du disque dispersé, qui ont échangé de l'énergie gravitationnelle avec Neptune dans le passé, peuvent s'éloigner de plusieurs centaines d'UA sur des orbites beaucoup plus longues et inclinées. La « dernière planète » marque seulement la fin de la liste des planètes, pas celle de toute la matière en orbite autour du Soleil.

Il n'existe pas non plus de frontière nette entre ces groupes de petits corps. Les objets en résonance de la ceinture de Kuiper, le disque dispersé et les candidats au nuage de Oort interne sont classés selon la forme et le mouvement de leur orbite ; les catégories se recoupent donc en partie. Si les schémas scolaires s'arrêtent souvent à Neptune, c'est pour représenter clairement les planètes. Aucun mur n'entoure le Système solaire à cet endroit.

Quelle frontière les sondes Voyager ont-elles franchie ?

Le Soleil émet des particules chargées électriquement à plusieurs centaines de kilomètres par seconde. Ce flux de particules constitue le vent solaire. Très loin du Soleil, la pression du milieu entre les étoiles le ralentit brusquement. Vient ensuite une région où ces particules ralenties sont comprimées et déviées. L'héliopause est la limite extérieure où le plasma du vent solaire rencontre le plasma interstellaire.

En 2012, à environ 121,6 UA, Voyager 1 a détecté une forte baisse des particules de faible énergie venues du Soleil et une hausse des rayons cosmiques de la Galaxie. Mais son instrument de mesure directe du plasma ne fonctionnait plus ; il était donc difficile de confirmer immédiatement le franchissement de la frontière. Les chercheurs ont ensuite mesuré la vitesse à laquelle le plasma environnant oscillait sous l'effet d'ondes produites par des éruptions solaires. La densité de particules ainsi calculée a confirmé que la sonde était entrée dans le plasma interstellaire, beaucoup plus dense que celui de l'héliosphère.

Voyager 2 a franchi la frontière en 2018, à environ 119 UA. Son instrument à plasma fonctionnait encore : il a directement mesuré l'arrêt du flux de particules solaires et son remplacement par un plasma plus froid et plus dense. Les instruments consacrés au champ magnétique et aux particules de haute et de basse énergie ont enregistré la même transition. Les deux sondes ont confirmé le même type de frontière dans des directions différentes, mais deux points de passage ne constituent pas une photographie de la forme complète de l'héliopause.

La ligne franchie par Voyager n'est pas celle où cesse la gravité du Soleil, mais celle où le plasma solaire ne domine plus l'espace environnant.

La frontière de l’héliosphère reste-t-elle toujours au même endroit ?

Voyager 1 et 2 ont rencontré la frontière à environ 3 UA d'écart. Cela ne prouve pas qu'un côté reste toujours plus proche du Soleil. Les sondes ont franchi la limite dans des directions et à des époques différentes. La puissance du vent solaire varie avec le cycle d'activité du Soleil, d'environ 11 ans, et avec ses éruptions. Le plasma et le champ magnétique interstellaires qui poussent de l'extérieur varient eux aussi selon la direction. La position de la frontière se déplace donc sans cesse.

La lumière et la gravité du Soleil ne disparaissent pas brusquement au-delà de l'héliopause. On parle d'espace interstellaire parce que la matière environnante présente davantage les propriétés du milieu entre les étoiles que celles du vent solaire. Des atomes interstellaires pénètrent aussi dans l'héliosphère. La frontière ne sépare donc pas parfaitement un intérieur composé uniquement de matière solaire d'un extérieur où le Soleil n'aurait plus aucune influence.

Certaines illustrations donnent à l'héliosphère une forme de goutte ou une longue queue, mais sa forme entière n'a jamais été photographiée d'un seul coup depuis l'espace. Il s'agit d'estimations qui combinent les deux points de passage de Voyager, les observations à distance de missions comme IBEX et des calculs sur le plasma.

Comment connaît-on l’existence du nuage de Oort sans l’avoir vu ?

Les comètes à longue période, qui mettent des centaines de milliers d'années ou davantage à faire le tour du Soleil, arrivent de nombreuses directions au lieu de se concentrer dans le plan des planètes. Lorsque les astronomes reconstituent leur orbite vers le passé, les résultats impliquent une vaste population de corps glacés à des milliers ou des dizaines de milliers d'UA du Soleil. L'explication la plus répandue veut qu'au début de l'histoire du Système solaire, les planètes géantes aient projeté de petits corps glacés vers l'extérieur. La gravité de la Galaxie et le passage d'étoiles auraient ensuite modifié leurs orbites et les auraient répartis en un ensemble presque sphérique autour du Soleil.

La NASA situe généralement la limite intérieure vers 2 000 à 5 000 UA et la limite extérieure entre environ 10 000 et 100 000 UA. Cette grande marge existe parce que personne n'a directement photographié et recensé les corps du nuage de Oort à de telles distances. Leur répartition est déduite des orbites de comètes connues et de simulations de la formation du Système solaire ; les modèles ne placent pas non plus tous au même endroit la séparation entre le nuage intérieur et le nuage extérieur.

À des distances aussi grandes, l'attraction du Soleil est faible. Même les petites forces exercées par la Galaxie et les étoiles de passage peuvent donc produire des effets importants sur de longues durées. Certaines comètes sont déviées vers le Soleil, tandis que d'autres corps échappent entièrement à sa gravité. L'étendue maximale des corps en orbite autour du Soleil ne peut pas être fixée par un rayon unique : elle dépend de l'orbite de chaque objet et des étoiles passées à proximité.

1. Environ 30 UA Si l'on ne compte que les planètes, la liste s'achève avec Neptune.
2. Environ 30 à 50 UA La partie principale de la ceinture de Kuiper abrite encore de nombreux corps glacés en orbite autour du Soleil.
3. Environ 119 à 122 UA Les deux sondes Voyager ont franchi l'héliopause et mesuré le plasma interstellaire.
4. Environ 2 000 à 5 000 UA La limite intérieure du nuage de Oort, encore jamais observé directement, pourrait commencer ici.
5. Jusqu'à environ 100 000 UA Selon les modèles, le réservoir de comètes aux orbites très lentes pourrait s'étendre jusque-là.

Les sondes Voyager ont-elles complètement quitté le Système solaire ?

Aucune des deux sondes Voyager ne suit une orbite qui la ramènera après un tour du Soleil. Leurs passages près des planètes leur ont donné assez de vitesse pour suivre une trajectoire d'échappement vers l'extérieur du Système solaire. Leur position actuelle ne devient pas pour autant la frontière de tout le Système solaire. Demander si un objet est lié au Soleil par la gravité et demander si d'autres corps en orbite autour du Soleil occupent cette région sont deux questions différentes.

Les sondes Voyager sont entrées dans le plasma interstellaire vers 120 UA. À leur vitesse, il leur faudrait toutefois environ 300 ans pour atteindre la distance où le nuage de Oort pourrait commencer, et quelque 30 000 ans pour dépasser son extension extérieure estimée. Ces durées ne signifient pas que les sondes resteront en orbite autour du Soleil. Elles montrent simplement l'immense écart entre la limite du vent solaire et l'étendue des corps lointains.

Jusqu’où considère-t-on que le Système solaire s’étend ?

Si l'on parle de l'étendue des planètes, la réponse est Neptune. Pour le disque où se trouvent de nombreux corps glacés, c'est la ceinture de Kuiper. Pour le vent solaire, c'est l'héliopause. Si l'on inclut les corps les plus lointains en orbite autour du Soleil, il faut envisager le nuage de Oort, qui pourrait s'étendre à plusieurs dizaines de milliers d'UA. Ces réponses ne s'opposent pas : la frontière change selon ce que l'on cherche à mesurer.

L'entrée de Voyager dans l'espace interstellaire n'a pas révélé un point unique où finit le Système solaire. Les sondes ont traversé directement, dans deux directions, la frontière de plasma où l'influence du Soleil rencontre le milieu entre les étoiles. Pour décrire précisément le bord du Système solaire, il faut indiquer à côté du nombre « le bord de quoi ».

Sources

• NASA — Voyager 2 Instruments at the Heliopause
• Nature Astronomy — Voyager 2 Plasma Observations of the Heliopause
• Nature Astronomy — Plasma Densities Near and Beyond the Heliopause
• NASA Science — Oort Cloud Facts and Distance Ranges
• NASA Science — Kuiper Belt Facts
• NASA Science — Criteria for the Edge of the Solar System
• Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy — Stellar and Galactic Perturbations of Oort-Cloud Comets