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Mise à jour 06 janvier 2024

Obliquités des planètes

Obliquité des planètes

Image : Tous les mouvements des planètes sont irréguliers et varient dans le temps sous les influences gravitationelles de l'ensemble des objets du système solaire. Les axes de rotation des planètes sont aussi modifiés.
L'extrémité de l'axe de rotation d'une planète décrit lentement un cercle dans un plan horizontal, comme une toupie, c'est le mouvement de précession.
Dans le cas de la Terre, l'axe de rotation est incliné de 23° 26' 10.210" par rapport à son plan orbital. L'inclinaison de l'axe de la Terre perd 0,4686" par an soit environ ≈ 8' par millenaire.
Crédit : NASA Planetary Fact Sheet

Pourquoi les planètes ont des obliquités différentes ?

L'obliquité des planètes ou l'inclinaison, se réfère à l'angle entre l'axe de rotation d'une planète sur elle-même et son plan orbital autour de son étoile. L'obliquité est donc l'inclinaison de l'équateur de la planète par rapport à son plan orbital appelé l'écliptique.

L'ensemble des planètes subissent les aléas des forces gravitationnelles des objets du système solaire. La déformation permanente de l'espace-temps, c'est-à-dire sa courbure, crée les flots chaotiques de la gravité.
L'axe de rotation des planètes, sensible à toutes ces perturbations, varient dans le temps, très lentement et de façon différente pour chaque planète.

Les planètes ont des orbites qui se situent toutes, à peu près dans le même plan orbital, mais leur obliquité et aujourd'hui différente. La variation de l'axe de rotation des planètes est un phénomène complexe qui est causé par plusieurs facteurs (interactions gravitationnelles, forces de marées, collisions avec des objets cosmiques, redistribution de la masse à l'intérieur de la planète, etc.). Ainsi, cet axe de rotation n'est jamais perpendiculaire au plan orbital de la planète. En effet, la raison principale est due à distribution de la masse à l'intérieur d'une planète qui n'est jamais une sphère parfaite et de densité égale c'est-à-dire avec une répartition égale de la masse. C'est ce qui l'oblige à tourner comme une toupie.

Obliquités des planètes du système solaire

Dans le disque protoplanétaire, les planètes devraient se former avec des obliquités proches de zéro. Or, les planètes du système solaire présentent aujourd'hui une grande variété d'obliquités qui varient désormais entre des minimums et des maximums. Le cas de Mercure est particulier car la forte dissipation des marées due à la proximité du Soleil maintient étroitement l’obliquité de Mercure à une valeur proche de zéro.
Des collisions à grande échelle dans le système solaire ont aussi probablement participé à la bascule de la plupart des obliquités. De plus, le chevauchement des résonances produit un grand nombre de chaos qui ont une grande influence sur l'axe de rotation des planètes. En astronomie, la résonance orbitale s'observe lorsque le rapport des périodes orbitales sont en relation de ratios simples ( 1:2, 2:3, 3:4, etc.). Cela affecte les orbites et les mouvements dans le système planétaire.
En réalité, les axes de la plupart des planètes basculent toujours, et nous n’observons aujourd’hui qu’une étape transitoire de cette évolution.

Mercure (≈ 0°) : En raison de sa rotation synchrone, l'axe de rotation de Mercure ne subit pas de variation significative d'obliquité au fil du temps. En raison de l'interaction entre les forces de marée et l'orbite excentrique de Mercure, une résonance orbitale se développe. À un certain point de l'orbite, la période orbitale de Mercure entre en résonance 3:2 avec sa période de rotation, ce qui signifie que Mercure effectue 3 rotations sur son axe pour 2 révolutions autour du Soleil. Lorsque la résonance orbitale se produit, l'effet combiné du freinage par marée et de la résonance orbitale verrouille l'axe de rotation de Mercure dans une position stable par rapport au Soleil.

Vénus (≈ 177°) : La rotation de Vénus est rétrograde, ce qui signifie que son axe de rotation est incliné dans la direction opposée à la plupart des autres planètes du système solaire. Ainsi, l'obliquité de Vénus est d'environ 177,36° par rapport à la normale de son orbite autour du Soleil. Par rapport à la verticale, son obliquité est relativement faible. Nous pouvons dire que son axe est incliné d'environ 2,64 degrés. Son axe de rotation ne subit pas de variations significatives au cours du temps.

Terre (≈ 23,5°) : L'obliquité de la Terre varie entre ≈ 22,1° et ≈ 24,5° sur une période d'environ 25 765 ans. Au cours de cette période appelée "précession des équinoxes", l'axe de la Terre effectue une rotation complète, passant par différentes inclinaisons. Cette inclinaison est responsable de l'existence des saisons sur Terre. L'axe de rotation de la Terre a peut-être été stabilisé par la capture de la Lune.

Mars (≈ 25,19°) : Sur une période d'environ 1,2 millions d'années, l'obliquité de Mars varie entre 14,9 et 35,5°. Cependant, trop loin du Soleil et dépourvue de gros satellite, Mars aurait une obliquité chaotique, allant de 0° à 60°.

Jupiter (≈ 3,1°) : L'obliquité de Jupiter peut varier de 3° à 30° sur une période de 5 millions d'années. Malgré sa valeur actuelle particulièrement faible, l'obliquité de Jupiter augmente actuellement, en raison de la migration des satellites galiléens. Les satellites galiléens (Io, Europe, Ganymède et Callisto) sont actuellement en train de s'éloigner de Jupiter à un taux d'environ 1 cm par an. Les modèles montrent que l'obliquité de Jupiter augmentera progressivement au cours des prochains millions d'années. Même si la force des satellites est faible, elle agit de manière constante sur une longue période. Il faudra environ 2,7 millions d'années pour que l'axe de rotation de Jupiter précesse d'un degré à cause des satellites galiléens.
Cependant, bien que cette influence gravitationnelle soit présente, elle n'est généralement pas suffisante pour causer des changements drastiques dans l'axe de rotation de Jupiter. D'autres facteurs, tels que la distribution de la masse atmosphérique ou la résonance avec l’orbite d’Uranus, jouent un rôle dans la dynamique de rotation de la planète. Les courants atmosphériques, les tempêtes et les perturbations météorologiques peuvent entraîner des mouvements verticaux et horizontaux de la masse atmosphérique, redistribuant ainsi la masse à différentes altitudes et latitudes.

Saturne (≈ 26,7°) : La grande obliquité de Saturne permet aux observateurs situés sur Terre d’observer ses magnifiques Anneaux.
Les satellites de Saturne, et plus particulièrement Titan (plus gros que Mercure), seraient en partie, responsables de l'obliquité actuelle de la planète géante. D'après les travaux publiés le 18 janvier 2021 par des scientifiques du CNRS, de Sorbonne Université et de l’Université de Pise, la planète s’incline de plus en plus à mesure que ses satellites s’éloignent.

Uranus (≈ 97,8°) : À la différence de toutes les autres planètes du Système solaire, Uranus est très fortement inclinée sur son axe, quasiment parallèle à son plan orbital. Elle est si inclinée qu'elle donne l'impression de rouler sur son orbite exposant alternativement son pôle nord, puis son pôle sud au Soleil. Ce qui signifie que ses pôles nord et sud sont situés là où les autres planètes ont leur équateur.
Deux hypothèses ont été avancées pour expliquer cette "obliquité extrême".
Uranus a pu subir une ou plusieurs collisions violentes avec des protoplanètes primordiales, tôt dans l'histoire du système solaire. Ou bien, des perturbations gravitationnelles ou des résonances causées par Jupiter et Saturne, auraient pu affecter l'inclinaison d'Uranus au fil du temps. Mais il est probable qu'une combinaison de plusieurs facteurs ait contribué à l'inclinaison actuelle d'Uranus.

Neptune (≈ 28,3°) : L'inclinaison axiale de Neptune est aujourd'hui à proximativement similaire aux inclinaisons de la Terre (≈ 23°), de Mars (≈ 25°) et de Saturne (≈ 26°).
Jupiter et Saturne ont traversé la résonance orbitale 1:2 il y a environ 4,5 milliards d’années, lors de la migration des planètes géantes. Ce passage aurait provoqué des perturbations gravitationnelles importantes dans le Système solaire.

Ce qu'il faut retenir

L'obliquité des planètes que l'on observe aujourd'hui, est le résultat complexe, au fil du temps, des interactions gravitationnelles, des collisions entre les protoplanètes primordiales, des perturbations liées aux résonnances et d'autres phénomènes dynamiques inconnus.
Nous pouvons retenir que toutes les planètes ont du se former avec une obliquité proche de zéro.
Mais très tôt, les obliquités des planètes pourraient avoir subi un comportement chaotique à grande échelle. Et au fil du temps, une combinaison de facteurs dynamiques dans le système solaire ont influer sur les obliquités des planètes.
Mercure et Vénus, proches du Soleil, ont été stabilisées par des effets dissipatifs, la Terre a peut-être été stabilisée par la capture de la Lune et Mars est toujours dans une large zone chaotique. Concernant les obliquités des planètes extérieures (Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune), les simulations les considèrent comme primordiales, c'est-à-dire avec, à peu près, la même inclinaison qu'elles avaient à l'origine après les grandes collisions avec les protoplanètes.


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