Existe-t-il des satellites naturels de satellites naturels ?

Les satellites naturels ou lunes

Les satellites naturels, communément appelés lunes, gravitent autour de planètes. Une question scientifique intrigante se pose : un satellite peut-il avoir lui-même un satellite naturel, que l'on pourrait appeler une « lune secondaire » ?

Une lune secondaire est un satellite naturel qui orbite autour d'un autre satellite naturel, lui-même en orbite autour d'une planète. La stabilité d'une telle orbite est extrêmement limitée par plusieurs facteurs :
- La gravité dominante de la planète principale, qui tend à perturber les trajectoires des petits satellites.
- Les forces de marée exercées sur le satellite secondaire par la planète principale, qui peuvent provoquer sa désintégration ou son éjection.
- La zone de Hill du satellite principal, définissant la région autour du satellite où sa gravité domine sur celle de la planète, limite fortement la distance maximale pour une lune secondaire stable.
Actuellement, aucune lune secondaire n’a été observée dans notre système solaire, mais les simulations numériques suggèrent qu’elles pourraient exister autour de satellites très massifs comme Ganymède ou Titan, à condition qu’elles restent proches du satellite parent.

Contraintes physiques

Pour qu'un tel système soit stable, plusieurs conditions doivent être remplies :

• La gravitation de la planète principale doit être faible par rapport à celle du satellite secondaire pour ne pas perturber son orbite.
• La période orbitale de la lune secondaire doit être significativement plus courte que celle du satellite autour de sa planète.
• Les forces de marée induites par la planète principale doivent être insuffisantes pour désorbiter le satellite secondaire.

Selon George Darwin (1845-1912), les effets de marée limitent la taille maximale et la distance orbitale de tout satellite secondaire. La zone de Hill, ou sphère de Hill, définit le volume autour d'un satellite dans lequel la gravité de celui-ci domine sur celle de la planète.

Exemples et simulations

Jusqu'à présent, aucune lune secondaire n'a été observée dans notre système solaire.

Source : Icarus, Hill sphere and stability analysis of moonlets.

Les astéroïdes et leurs satellites

Contrairement aux grandes lunes des planètes géantes, de nombreux astéroïdes possèdent leurs propres satellites naturels. Ces systèmes, appelés systèmes binaires ou multiples d'astéroïdes, sont relativement fréquents dans la ceinture principale et parmi les astéroïdes proches de la Terre.

Cependant, ces astéroïdes ne présentent pas de « lunes secondaires » au sens strict. La raison principale est liée à l'échelle gravitationnelle très réduite :

• La gravité de l'astéroïde principal est faible mais suffisante pour retenir un petit satellite à courte distance.
• Le satellite est proche du corps principal, et toute tentative de formation d'une lune autour du satellite serait rapidement perturbée par les forces gravitationnelles du Soleil et des planètes voisines.
• Les forces de marée et perturbations dynamiques rendent toute orbite autour d’un satellite d’astéroïde extrêmement instable à long terme.

Ainsi, bien que les astéroïdes puissent avoir des lunes, la formation de lunes secondaires autour de ces satellites est pratiquement impossible. Ce contraste illustre l'importance de la masse et de la gravité centrale dans la stabilité des systèmes à plusieurs niveaux.

Différences entre lunes planétaires et satellites d'astéroïdes

Bien que les lunes des planètes et les satellites d'astéroïdes soient tous des satellites naturels, ils présentent des différences fondamentales liées à leur taille, leur gravité et leur environnement orbital.

Les principales distinctions sont les suivantes :

• Masse et gravité : Les lunes planétaires, comme Ganymède ou Titan, possèdent une masse importante et une gravité suffisante pour maintenir une atmosphère ténue ou pour influencer leur propre surface par des forces de marée. Les satellites d'astéroïdes sont beaucoup plus petits, avec une gravité très faible, incapable de retenir une atmosphère significative.
• Formation : Les lunes planétaires peuvent se former par accrétion dans un disque circumplanétaire, capture gravitationnelle ou collision géante. Les satellites d'astéroïdes se forment généralement par collision ou fission rapide due à la rotation, avec peu de matière disponible pour un disque circum-astéroïdal stable.
• Stabilité orbitale : Les lunes planétaires peuvent théoriquement héberger des lunes secondaires à proximité très proche du satellite parent, bien que rares, en raison de leur masse importante et de zones de Hill relativement grandes. Les satellites d'astéroïdes ne peuvent pas maintenir de lunes secondaires : les perturbations solaires et planétaires dominent rapidement toute orbite autour d’un petit corps.
• Observabilité : Les lunes planétaires sont visibles à distance avec des télescopes et missions spatiales. Les satellites d'astéroïdes sont plus difficiles à observer et nécessitent souvent des mesures radar ou des survols de mission pour être confirmés.

Cette comparaison illustre comment la gravité et l'environnement orbital contrôlent la complexité des systèmes de satellites naturels et explique pourquoi les systèmes hiérarchiques avec « lunes de lunes » sont extrêmement rares dans le système solaire.

Source : Icarus, Asteroid Satellites: Observations and Dynamics et Minor Planet Center.