Des astronomes ont pointé Hubble et Webb sur le même champ au-delà de Neptune : ce qu’ils ont fini par compter ne colle plus aux modèles

Moins d’objets que prévu, et pas au bon endroit. C’est le constat auquel sont arrivées plusieurs équipes d’astronomes après avoir croisé les données de Hubble et de James Webb sur une même portion du ciel, loin derrière l’orbite de Neptune. Les modèles théoriques de formation du Système solaire prédisaient une population dense de petits corps glacés dans cette région. Le compte n’y est pas, et l’écart interroge directement la manière dont les planètes se sont assemblées il y a 4,5 milliards d’années.

La zone en question, c’est la ceinture de Kuiper, cet anneau de débris glacés qui s’étend au-delà de Neptune, entre 30 et environ 50 unités astronomiques du Soleil. Pluton y habite, entouré de dizaines de milliers d’objets plus modestes, appelés objets transneptuniens ou TNO. Depuis les années 1990, les astronomes tentent d’en dresser un inventaire précis, tailles et trajectoires comprises, pour remonter le fil de l’histoire du Système solaire.

Deux télescopes, un même champ, une méthode complémentaire

Pointer Hubble et Webb sur la même zone n’a rien d’un hasard. Hubble excelle dans la détection de la lumière visible réfléchie par ces corps glacés, tandis que Webb capte l’infrarouge, ce qui permet d’estimer leur taille réelle indépendamment de leur albédo, cette capacité à réfléchir la lumière qui varie énormément d’un objet à l’autre. Combiner les deux instruments revient à obtenir à la fois une photo et une carte d’identité thermique du même objet.

Les chercheurs ont ainsi pu affiner leurs estimations de diamètre pour des objets situés à des milliards de kilomètres, là où un télescope seul laisse une marge d’erreur énorme. Un objet qui paraît petit et brillant en lumière visible peut en réalité être plus grand et simplement plus sombre. Cette double lecture a permis de reconstituer, pour la première fois avec ce niveau de précision, la distribution en taille des petits corps de la ceinture de Kuiper sur un échantillon suffisamment large pour être statistiquement solide.

Le résultat a surpris jusqu’aux équipes qui menaient l’étude.

Une distribution de taille qui refuse de suivre la courbe

Les modèles de formation planétaire reposent sur une hypothèse simple : plus les objets sont petits, plus ils devraient être nombreux, selon une loi de puissance continue héritée des simulations de croissance par accrétion. C’est ce schéma qui a permis, par exemple, de prédire assez fidèlement le nombre de gros objets comme Éris ou Makémaké. Mais quand on descend sous le kilomètre de diamètre, la courbe attendue s’effondre brutalement dans les observations, un phénomène que les spécialistes appellent la cassure de la distribution de taille.

Ce déficit avait déjà été repéré partiellement grâce aux occultations stellaires, cette technique qui consiste à guetter la brève baisse de luminosité d’une étoile quand un petit corps invisible passe devant elle. La sonde New Horizons, en route vers la ceinture de Kuiper puis au-delà, avait aussi enregistré des données de poussière suggérant une population plus étendue et différemment structurée que prévu. Les nouvelles observations croisées de Hubble et Webb viennent confirmer et préciser ce manque, avec une rigueur statistique inédite.

Le problème, c’est que ce déficit ne colle à aucun des scénarios de formation actuellement privilégiés.

Le modèle dominant, dit de l’instabilité de flux (« streaming instability »), prévoit que les planétésimaux se sont formés directement à des tailles déjà respectables, sautant l’étape des tout petits corps. Cela devrait produire justement ce genre de cassure. Mais l’ampleur et la localisation exacte du manque observé ne correspondent pas aux simulations numériques les plus récentes, qui prédisaient une transition plus progressive et à une échelle de taille différente.

Ce que ça change pour comprendre notre système solaire

Cet écart n’est pas un détail technique réservé aux spécialistes de la mécanique céleste. La ceinture de Kuiper est considérée comme une véritable capsule temporelle, une région restée relativement peu perturbée depuis la formation des planètes, contrairement à la ceinture d’astéroïdes remaniée par Jupiter. Si le comptage des petits objets ne colle pas aux modèles, c’est potentiellement toute la chronologie de l’assemblage planétaire qu’il faut revoir, y compris la manière dont les comètes qui visitent parfois le ciel terrestre ont vu le jour.

Plusieurs équipes évoquent désormais l’hypothèse d’un processus de formation en deux temps, avec une génération précoce de très petits corps largement détruite par collisions avant que les objets plus gros ne se stabilisent. D’autres pointent vers une migration plus complexe de Neptune, qui aurait sculpté la ceinture de Kuiper d’une façon qui aurait éliminé sélectivement certaines tailles d’objets plutôt que d’autres. Aucun consensus ne s’est encore dégagé, et c’est bien là ce qui rend ces résultats stimulants pour la communauté.

De nouvelles campagnes d’observation sont déjà programmées pour élargir l’échantillon à d’autres portions de la ceinture de Kuiper, en exploitant à nouveau la complémentarité entre Hubble et Webb. L’objectif est de vérifier si ce déficit de petits objets est une caractéristique généralisée de toute la ceinture, ou seulement une singularité locale liée à l’histoire particulière de cette zone du ciel. La réponse conditionnera directement la prochaine génération de modèles de formation planétaire, ceux-là mêmes qu’on utilise aussi pour interpréter les disques de débris observés autour d’autres étoiles.

Sources : science.nasa.gov | cfa.harvard.edu | space.com