Un scénario pour expliquer l'étrange astéroïde interstellaire Oumuamua

La découverte du premier astéroïde interstellaire (qui ne gravite pas autour du Soleil mais ne fait que traverser le Système Solaire) a créé une grande surprise, notamment du fait de ses caractéristiques très étranges. Il n’a pas la signature caractéristique d’une comète, ce qui laisse supposer que sa surface est rocheuse et pauvre en eau ; sa forme est extrêmement allongée comme un cigare ; il voyage à une vitesse qui nécessite un effet supplémentaire à celui produit par la pure attraction gravitationnelle du Soleil et des planètes pour l’expliquer, et il tourne sur lui-même avec une période de l’ordre de quelques heures.

Quelques scénarios ont déjà été proposés pour expliquer son existence, mais aucun n’a permis de rendre compte de l’ensemble des caractéristiques très surprenantes de cet objet jusqu’à cette étude.

L’idée de base est qu’un tel corps doit avoir été formé dans un autre système planétaire et en avoir été expulsé pour se retrouver dans le milieu interstellaire puis traverser le Système Solaire. Une telle expulsion peut se produire si le corps passe très près de l’étoile du système dans lequel il évolue et/ou d’une grosse planète. Mais sa forme reste un mystère car dans notre Système Solaire, aucun corps de la taille d’Oumuamua n’a une forme aussi allongée. De plus, pour des raisons liées à leurs trajectoires très allongées, il est bien plus facile d’expulser des corps de type cométaire, donc riches en eau et en éléments volatiles, car formés loin du Soleil. Or, Oumuamua ne présente aucune activité cométaire !

Pour résoudre ce paradoxe et expliquer la forme d’Oumuamua, Yun Zhang a développé des simulations numériques de passage très proche de son étoile, de corps de 100 mètres de diamètre. Ces corps seraient représentés comme des agrégats de roches solides qui représentent la structure la plus typique des petits corps du Système Soleil de la taille considérée. Cette simulation s'est fait sur la base d'une étoile de masse égale à la moitié de celle du Soleil, afin de vérifier si les effets de marée produits lors d’un tel passage peuvent détruire le corps et former des fragments dont la forme est identique à celle d’Oumuamua et dont la trajectoire les expulserait du système. Ce choix d’étoile vient du fait que la région où les destructions par effets de marée se produisent est bien plus grande autour des étoiles de faible masse car elles sont plus denses. Dans ces simulations, les composants de l’agrégat peuvent être liés entre eux simplement par leur propre attraction ou par de la cohésion mécanique, ce qui définira le comportement global de l’agrégat (déformation, destruction) lors de son passage près de l’étoile. Plus il est résistant, plus la distance à l’étoile doit être faible pour qu’il subisse les forces de marée.

Les simulations ont été effectuées en considérant un agrégat qui s’approche de l’étoile le long d’une trajectoire très allongée (excentrique) et dont la distance moyenne à l’étoile est de plusieurs milliers de fois la distance de la Terre au Soleil (1 Unité Astronomique), ce qui est nécessaire pour que les fragments produits par la destruction de l’agrégat au passage proche de l’étoile s’échappent du système dans le milieu interstellaire. Durant un passage suffisamment proche, les simulations montrent que la fréquence de rotation sur lui-même de l’agrégat s’accélère, et le corps se déforme de façon significative avant de se détruire pour produire de nombreux fragments. La force de marée est une fonction décroissante avec la distance minimale à l’étoile. Pour une plus petite distance minimale, le corps se détruit en un nombre plus grand de petits fragments de forme très allongée dont certains peuvent s’échapper du potentiel gravitationnel de leur étoile hôte et de planètes de type Jupiter si elles sont présentes. Ils deviennent alors des objets interstellaires (Fig. 1).

Figure 1 : A gauche, vue d’artiste d’Oumuamua ; crédit : ESO/M. KORNMESSER ; A droite : objet interstellaire résultant d’une simulation numérique de destruction d’un agrégat lors d’un passage proche avec une étoile de faible masse. Loirs d’une telle destruction, des fragments (eux-même des agrégats) sont produits et certains peuvent être éjectés dans le milieu interstellaire. Les couleurs (du bleu au rouge, des plus faibles au plus élevées) représentent les vitesses relatives des composants de l’agrégat ainsi formé. Elles restent toutes inférieures à celles permettant aux particules de s’échapper du corps. L’objet ainsi formé à une forme similaire à celle d’Oumuamua et une trajectoire qui lui permet de traverser un autre système planétaire, tel que le nôtre. © Y. Zhang/UCA/OCA/CNRS.

Du fait que les objets qui passent proche d’une étoile et dont les fragments peuvent s’échapper dans le milieu interstellaire proviennent nécessairement de grandes distances de l’étoile, ils doivent initialement être riches en roches mais aussi en glace. Néanmoins leur surface subit un échauffement intense lors d’un passage près de leur étoile hôte. Le modèle thermique des auteurs montre que la fusion et le re-condensation (3 heures après le passage à la distance minimale à l’étoile) des éléments silicatés de surface conduisent à la formation d’une croûte desséchée sur les fragments résultants et à la transformation de la partie exposée de ces corps d’un type cométaire à celui astéroïdal (sans activité de surface car sec). De plus, la cohésion se trouve augmentée du fait du frittage des silicates dans la croûte ce qui permet à la forme de l’objet de s’allonger lorsque le matériau est encore fondu puis de se rigidifier lors de la formation de la croûte avant qu’il ne puisse casser. Ces résultats offrent un scénario cohérent de formation d’Oumuamua qui reproduit sa forme, sa taille, et ses caractéristiques de surface. «La cohesion rend vraiment compte de la forme allongée», explique Yun Zhang, «et selon les conditions sa longueur pourrait même être plus de 10 fois plus grande que sa largeur ».

Mais cela n’explique pas tout, et notamment le fait qu’Oumuamua semble accélérer lors de sa traversée dans le Système Solaire d’une façon qui nécessite une force non-gravitationnelle en plus de la force gravitationnelle exercée par le Soleil et les planètes. En fait, même si la surface d’Oumuamua est desséchée lors de sa formation, ce qui explique l’absence observée d’activité, les volatiles tels que CO, H20 et CO2, peuvent encore exister à l’état condensé à une faible profondeur (moins d’un mètre). Ainsi lors de son passage près de notre Soleil durant sa traversée, la température de sublimation de l’eau est atteinte à des profondeurs plus grandes sous la croûte de l’objet, du fait que le Soleil est plus brillant et plus chaud que l’étoile de faible masse à l’origine de son expulsion dans le milieu interstellaire. La vaporisation de cet inventaire additionnel de volatiles peut amener la matière organique vers la surface, expliquant les caractéristiques photométriques observées à partir de l’analyse des couleurs. En dépit de l’absence de coma, ce léger dégazage peut produire l’accélération non-gravitationnelle détectée, et donc élimine l’hypothèse mentionée parfois d’un vaisseau extra-terrestre…

Sur la base de ce scénario, les comètes à longue période sont des candidats prometteurs comme corps parents d’objets du type d’Oumuamua. Sous l’effet des marées galactiques, du passage d’étoiles, et des perturbations planétaires, quelques comètes kilométriques font une intrusion chaque année depuis la partie interne du réservoir d’Oort (situé à moins de 20,000 Unités Astronomiques du Soleil) à la proximité du Soleil. Du fait que les tailles des comètes visibles typiques sont bien plus grandes qu’Oumuamua, elles peuvent fournir une source adéquate d’astéroïdes interstellaires par l’éjection accumulée de fragments de taille réduite formés lors de passages produisant des effets de marée conséquents. Les disques de débris qui sont aussi commun autour d’autres étoiles sont aussi des réservoirs potentiels de tels objets. Finalement, les auteurs montrent aussi que les planètes de type super-Terre ou mini-Neptune, qui évoluent autour d’autres étoiles le long de trajectoires très allongées et qui peuvent ainsi se détruire sont aussi une source potentielle d’objets de type Oumuamua.

Il y a donc de multiples possibilités de produire des objets du type d’Oumuamua dans le cadre du scénario élaboré par Yun Zhang et Doug Lin, reposant sur les effets de marée produit lors d’un passage proche à une étoile. Cela pourrait expliquer la fréquence prédite de traversée de tels objets dans notre Système Solaire (un par an, en moyenne). En ajoutant le fait que leur séjour dans les systèmes planétaires passe par les zones habitables (voisinage de la Terre), l’idée qu’ils soient à l’origine d’une panspermie ne peut pas être écartée !

Référence

Zhang, Y., Lin, D. 2020. Tidal Fragmentation as the origin of 1I/2017 U1 (Oumuamua), Nature Astronomy,

Contacts

• Yun Zhang, laboratoire Lagrange (CNRS-UCA-OCA) - Courriel : yun.zhang@oca.eu
• Patrick Michel, directeur de recherche CNRS, laboratoire Lagrange (CNRS-UCA-OCA) - Courriel : michelp@oca.eu - Mobile : 06 88 21 28 33.