Cérès, Pallas, Junon et Vesta : planètes rétrogradées, les "Pluton" du XIXe siècle

Une nouvelle fois, on s'éloigne de beaucoup de l'univers des Visiteurs mais on reste dans l'Histoire des sciences. 

Comme vous le savez, après avoir été notre bonne vieille neuvième planète durant près d'un siècle, Pluton fut finalement rétrogradée par l'Union Astronomique Internationale le 24 août 2006. En cause : la découverte d'une grande famille de petits astres glacés semblables à Pluton au-delà de l'orbite de Neptune. Pluton apparaissant comme n'étant qu'un objet parmi beaucoup d'autres, il fut décidé de réduire à huit le nombre de planètes dans le Système solaire, non sans provoquer au passage une grande polémique qui réapparaît encore aujourd'hui de temps à autres dans les médias sous l'impulsion d'astronomes dissidents. 

Cependant, il est intéressant de se souvenir qu'une problématique identique est déjà arrivée en astronomie un siècle et demi plus tôt. En effet, au XIXe siècle, quatre objets furent découverts entre Mars et Jupiter et considérés pendant une cinquantaine d'années comme des planètes avant d’être finalement rétrogradés au rang d’astéroïdes. 

Comme c'est une histoire que j'aime rappeler, je vous propose aujourd'hui de revenir sur les événements qui amenèrent à la découverte de Cérès, Pallas, Junon et Vesta, de leur place particulière dans la famille des planètes à l'époque jusqu'à leur déclassement. Nous terminerons par un résumé de ce que nous connaissons aujourd'hui de ces quatre petits mondes. 

Note : les plus connaisseurs de l'histoire de nos connaissances sur le Système solaire ne manqueront pas de remarquer les nombreuses similitudes entre la période 1801-1860 et la période 1930-2006. 

Illustration de couverture d'un ouvrage du jésuite et astronome italien Giuseppe Piazzi (1746-1826) dédié à sa découverte de la planète Cérès, 1802. 

A l'origine, une curiosité de la mécanique céleste : la loi de Titius-Bode

Jusqu'au XVIIIe siècle, les astronomes ne connaissaient que six planètes : Mercure, Vénus, la Terre, Mars, Jupiter et Saturne. Celles-ci sont visibles à l’œil nu dans le ciel nocturne et furent donc identifiées dès l'époque où les premiers Hommes ont levé les yeux vers la voûte céleste. 

Le mathématicien allemand JohannTitius (1729-1796) mis au jour en 1766 une curiosité : les distances des planètes au Soleil semblent suivre une suite mathématique. Si cela fonctionne parfaitement pour les quatre premières planètes, l'on tombe ensuite sur un point qui ne correspond à aucune planète connue dans la grande zone vide entre Mars et Jupiter. Mais si l'on repart de ce point, la loi fonctionne de nouveau correctement avec Jupiter et Saturne. 

Si cela semble indiquer qu'une planète inconnue doit exister entre Mars et Jupiter à environ 2,8 unités astronomiques, les scientifiques de cette période ne s'y intéressent pas, estimant qu'il s'agit sans doute d'un simple hasard de la nature. Seul un autre astronome allemand, Johann Elert Bode (1747-1826), se penche sur la question et soutient contre vents et marées la thèse de Titius qu'il fera connaitre vers 1772. Mais peu de savants y prêtent attention. Du moins, jusqu'en 1781. 

                  

         En 1781, William Herschel découvre Uranus. Cette nouvelle planète confirme-t-elle la loi de Titius-Bode ?

              

Le 13 mars 1781, le musicien et astronome amateur William Herschel (1738-1822) découvre dans son télescope un nouvel astre. S'il le prend d'abord pour une comète, il s'avère rapidement que l'astre est une planète dont on ignorait totalement l'existence jusqu'ici. La découverte est importante puisque c'est la première fois depuis la nuit de temps que cela se produit.  La nouvelle planète sera nommée par son découvreur Georgium Sidus ("étoile de George", en l'honneur du roi d'Angleterre d'alors) mais tout le monde s'accordera plutôt pour la baptiser d'un nom issu du panthéon des dieux romains (comme les autres planètes), Uranus. Herschel obtint une pension du roi d'Angleterre George III pour sa découverte et devint à partir de là l'un des astronomes les plus éminents de son époque. 

Un homme en particulier ne peut passer à coté de l'événement et cette personne n'est nulle autre que Bode, qui en profite pour tester la loi. La nouvelle planète se situe à environ 19,2 unités astronomiques du Soleil... c'est-à-dire à peu près à l'endroit où la loi de Titius-Bode situerait une planète au-delà de Saturne (19,6 UA selon la prévision de la règle de Titius-Bode) ! Pour Bode, c'est la preuve que la thèse tient la route et que l'on peut s'en servir pour rechercher de nouvelles planètes. A commencer par celle invisible qui doit se trouver entre Mars et Jupiter. 

Si la plupart des astronomes de l'époque ne sont toujours pas convaincus, quelques uns se lancent cependant dans des observations du ciel nocturne à la recherche de la planète. Mais pendant de longues années on ne trouva rien dans cette région, ce qui poussa Bode à dire "Le Créateur a-t-il oublié une planète ?". En 1800, un groupe de 24 astronomes (surnommé "la police du ciel") décida de s'attaquer au problème et de s'y prendre avec méthodologie : chacun se voit répartir une zone du ciel à scruter. 

Et alors que plus personne n'attendait à ce qu'un astre soit découvert à cet endroit du Système solaire, le miracle se produit mais l'enthousiasme laissa vite place à l'étonnement.

Là où la loi de Titius-Bode prévoyait l'existence d'une seule grosse planète, on en a trouva quatre. Ce qui ne fut pas sans poser de questions aux astronomes du XIXe siècle. 

Quatre planètes au lieu d'une : Cérès, Pallas, Junon et Vesta entrent en scène

Alors que les recherches des 24 astronomes restent vaines, c'est par hasard qu'un astre est finalement découvert entre Mars et Jupiter. 

Le 1er janvier 1801, le jésuite sicilien Giuseppe Piazzi (1746-1826) observe depuis son télescope de Palerme le ciel étoilé et remarque un petit point lumineux qui attire son attention. Observant cet astre les nuits suivantes, il remarque en outre que l'objet se déplace sur le fond des étoiles. Dans un premier temps, Piazzi pense avoir découvert une nouvelle comète mais le mouvement de l'astre montre bien vite que cela ne correspond pas à ce que cela devrait être dans ce cas. Après une année de recherche pour retrouver l'objet, il faut se rendre à l'évidence : l'astre découvert par Piazzi est une nouvelle planète et elle gravite dans la région entre Mars et Jupiter, pile à l'endroit attendu selon la loi de Titius-Bode.

Piazzi nomme la planète du nom de Cérès, déesse romaine et protectrice de la Sicile.

Portrait de Giuseppe Piazzi et un descriptif de la planète Cérès dans un ouvrage d'astronomie de François Arago datant de 1836. 

La lacune entre Mars et Jupiter est comblée, le Système solaire s'enrichit d'une planète et la loi de Titius-Bode est élevée au rang de pierre angulaire de l'astronomie et de la physique, aux cotés des travaux de Kepler et de Newton. En bref, tout le monde est content en cette première année du XIXe siècle. 

Mais les choses ne s’arrêtèrent cependant pas là. Après avoir retrouvé Cérès (qui n'avait plus été observable pour diverses raisons et dont l'orbite dû être calculée par Gauss pour prédire le moment où l'astre serait de nouveau visible), l'astronome allemand Heinrich Olbers (1758-1840) s'attelle à étudier cette nouvelle planète. Alors qu'il observe celle-ci le 28 mars 1802, il remarque une curieuse étoile à proximité de la nouvelle planète. Son éclat n'est d'ailleurs pas sans rappeler justement Cérès. Tentant de ré-observer l'objet, il découvre avec étonnement que celui-ci a bougé. Dans un premier temps, puisque l'on a déjà une planète entre Mars et Jupiter, l'on considéra que le nouvel astre était une comète. Mais l'on s'aperçut bien vite que l'objet ne s'approche pas du Soleil et gravite autour de ce dernier à 2,77 UA comme Cérès et accomplit sa révolution en 1685 jours terrestres, soit à peine plus que cette dernière. 

Aussi inattendu que celui puisse être, Olbers a donc découvert une seconde planète dans la région entre Mars et Jupiter. Elle sera nommée Pallas.

Portrait d'Olbers et descriptif de la planète Pallas dans un ouvrage d'astronomie de François Arago datant de 1836.

Voilà qui jette une première incompréhension : alors que l'on pensait avoir identifié la planète manquante du Système solaire, on en trouve une autre quasiment au même endroit. La question se pose quant à la nature de ces deux astres. Le disque de l'une ou l'autre des deux planètes n'est pas observables et les deux astres apparaissent aux instruments comme de simples étoiles mobiles, à la différence de toutes les autres planètes connues, ce qui semble indiquer d'emblée que Cérès et Pallas sont beaucoup plus petites que leurs congénères. Considérant les différences arborées par Cérès et Pallas, William Herschel proposa dès 1802 de les distinguer des planètes et conseilla le terme d'"astéroïdes" (qui signifie "semblable à une étoile", idée qui lui aurait été donnée par un de ses collaborateur, Charles Burney Jr, avec lequel il écrivait des poèmes sur les astres) pour les désigner. Cependant, la grande majorité des astronomes de l'époque ne partage pas ce point de vue et préfère garder ces deux petits mondes dans la liste des planètes du Système solaire, estimant qu'il n'y a pas de raison majeure de les rétrograder, sur le principe du "Elles sont plus petites, et alors ? Cela ne les rend pas moins intéressantes que les autres planètes !". Malgré la réticence de William Herschel et de quelques autres, Cérès et Pallas s'ajoutent à l'ordre traditionnel des planètes du Système solaire et se voient attribués des symboles astronomiques. 

L'année 1803 passa sans nouvelle découverte et ne rajouta pas à la confusion. Mais il n'en fut pas de même pour l'année 1804. Alors que l'on pensait la phase de découvertes dans la région entre Mars et Jupiter terminée, une nouvelle inattendue arrive durant l'automne : une troisième mini-planète a été découverte. Observant les étoiles depuis l'observatoire où il travaille, Karl Ludwig Harding (1765-1834) découvre le 1er septembre vers 22 heures (parce que Monsieur Flammarion est précis) un nouvel astre dans la constellation des Poissons. La nouvelle planète reçu le nom de Junon, déesse romaine et femme de Jupiter. 

Portrait de Karl Ludwig Harding et descriptif de la planète Junon dans un ouvrage d'astronomie de François Arago datant de 1836 (avec une coquille !). 

A la suite de la découverte de Junon, Olbers, suivant une hypothèse qu'il a émise sur leur origine (dont nous reparlerons plus loin), repart à la recherche de nouvelles planètes. En mars 1807, il y découvre un quatrième astre. Cette nouvelle trouvaille fut baptisée du nom de Vesta. 

Encore un portrait d'Olbers et un descriptif de la planète Vesta dans un ouvrage d'astronomie de François Arago datant de 1836. 

Et puis... plus rien. Malgré les recherches d'autres astronomes dans les années qui suivirent, aucun autre petit astre n'est découvert entre Mars et Jupiter. Pour les astronomes de l'époque, l'affaire est donc entendue : le Système solaire compte donc onze planètes. 

Planche que l'on devait trouver sur les murs des écoles allemandes vers 1850. Cérès, Pallas, Junon et Vesta sont comptées comme planètes. 

Mais si les quatre dernières découvertes sont étudiées comme les autres, peu de choses seront connues sur elles durant les cinquante années qui suivirent. Et le peu que l'on comprend ne fait que renforcer les différences.

1807-1845 : les quatre mini-planètes se distinguent

La petitesse de ces quatre petits mondes et leur éloignement rendirent difficile leur étude à cette époque. D'ailleurs, ce n'est qu'avec des instruments que ceux-ci sont visibles et on les appela "planètes télescopiques", terme que l'on retrouve dans les ouvrages de cette époque. Quelques caractéristiques ressortent cependant : 

1. Ces planètes sont très proches les unes des autres, contrairement aux autres planètes connues qui se trouvent sur des orbites vraiment indépendantes et isolées. 

2. Leurs orbites présentent une plus grande inclinaison que celles des astres planètes. On peut ainsi se rappeler que celle de Pallas est inclinée de plus de 35° par rapport à l’écliptique, le plan sur lequel tourne globalement toutes les planètes. 

3. Leurs tailles fut sujette à débat à l'époque, certains astronomes estimant qu'elles pouvaient être d'une taille similaire à celle que l'on connait aujourd'hui à Pluton (plus de 2000 kilomètres de diamètre), tandis que d'autres étaient déjà plus proches de la valeur réelle de leur gabarit. 

Taille réelle de Cérès, Pallas, Junon et Vesta comparée à la Lune. 

  

4. Certains astronomes, dont Herschel, estimèrent également avoir des indications sur la présence d'une atmosphère sur Cérès et Pallas. Compte tenu de ce que l'on pouvait savoir de ces astres à l'époque et du fait que ceux-ci n'ont en réalité aucune atmosphère, il semble que cela soit une erreur d'observation due aux instruments disponibles. 

5. Concernant leur origine et pourquoi on trouva quatre petites planètes au lieu d'une grosse, Olbers pensa rapidement que Cérès, Pallas, Junon et Vesta pourraient être les vestiges d'une ancienne planète qui vérifiait jadis la loi de Titius-Bode et fut détruite dans un cataclysme. Les fragments devant logiquement revenir à l'endroit du drame et les orbites de ces planètes semblant se croiser dans la constellation de la Vierge, Olbers observa cet endroit et y découvrit Vesta. Si l'idée resta longtemps populaire, on se rendit compte que cela ne fonctionne pas car on aboutirait quand même à une planète toute petite. 

1845-1860 : avalanche de mini-planètes et rétrogradation progressive du quatuor

Trente-huit ans ont passé depuis la découverte de Vesta en 1807. Mais en cette année 1845, un astronome amateur allemand nommé Karl Ludwig Hencke (1793-1866) découvrit une nouvelle planète entre Mars et Jupiter alors qu'il dressait des cartes des étoiles. Ce cinquième astre à l'arrivée inespérée fut nommé Astrée. 

Dès lors, un constat simple s'impose : l'espace entre Mars et Jupiter n'est peut-être pas occupé uniquement par Cérès, Pallas, Junon et Vesta. La découverte d'Astrée en est la preuve. Cela encouragea les astronomes de ce milieu de siècle à scruter le ciel. Hencke le premier découvre en 1847 un autre objet, nommé Hébé. Et l'Histoire s’accélère : cette même année 1847, l'astronome anglais John R. Hind (1823-1895) en découvre deux autres, Iris et Flore.  

En une seule année, trois nouvelle planètes furent ainsi découvertes entre Mars et Jupiter. Et ce n'est que le début : 

1845 : Astrée.
1847 : Hébé, Iris et Flore.
1848 : Métis.
1849 : Hygie.
1850 : Parthénope, Victoria et Egerie. 
1851 : Irène et Eunomie.
1852 : Psyché, Thétis, Melpomène, Fortune, Massalia, Lutèce, Calliope, Thalie.  

En seulement sept années, le nombre d'objets identifiés entre Mars et Jupiter est passé de 4 à 23. Le compteur des planètes du Système solaire est alors à 30. 

Dans un premier temps, ces nouveaux objets sont considérés comme autant de nouvelles planètes. Mais bien vite cela commença à poser un sérieux problème, ne serait-ce que sur le plan pratique car il allait falloir créer un symbole astronomique pour chacune de ces nouvelles planètes. Plus encore, la nature de ces objets est discutée : si quatre objets curieux peuvent être considérés comme l'exception, cela ne fonctionne en revanche plus lorsqu'ils deviennent une vingtaine et que l'on se rend compte que de nombreux autres attendent probablement d’être découverts par les astronomes. 

Première partie de la liste des astéroïdes connus en 1878 dans un Les Terres du Ciel, ouvrage de Camille Flammarion.

Peu à peu au cours de la décennie 1850, le consensus se fait que tous ces petits astres coincés entre Mars et Jupiter sont trop nombreux et trop semblables les uns aux autres pour être considérés comme des planètes, lesquelles se définissent implicitement comme étant les gros objets qui gravitent autour du Soleil en solitaires. Mais cela suppose de revenir sur le statut de Cérès, Pallas, Junon et Vesta également, ce qui est relativement délicat puisqu'elles sont des planètes pour les savants depuis près d'un demi-siècle. 

Dans un premier temps, l'on coupa la poire en deux. L'astronome allemand Johann Encke (1791-1865) proposa ainsi un début de solution dans les éphémérides de la Berliner Astronomisches Jarbusch de l'année 1854 : d'une part, les objets de cette région du Système solaire sont numérotés mais l'on ne les classe ainsi qu'à partir d'Astrée, ce qui laisse alors les quatre premiers astres parmi les planètes. 

Cependant, malgré l'habitude et le savoir commun, il était scientifiquement plus logique de rétrograder Cérès, Pallas, Junon et Vesta dans la même famille que les autres objets nouvellement découverts (lesquels sont d'ailleurs rebaptisés à ce moment-là "astéroïdes" ou "petites planètes" suivant ainsi la proposition de William Herschel cinquante ans plus tôt) : bien qu'étant les plus gros, ils partagent toutes les caractéristiques orbitales et physiques des autres, beaucoup plus que de ressemblances avec les grandes planètes. A partir de la fin des années 1850 et du début des années 1860, on considéra généralement que Cérès, Pallas, Junon et Vesta n'étaient en fait pas de nouvelles planètes mais les premiers représentants d'une nouvelle catégorie d'objets célestes. C'est d'ailleurs à cette époque que l'on voit apparaître la notion familière de "ceinture d’astéroïdes".

Entre Mars et Jupiter, il n'y a plus seulement quatre "planètes" mais toute une ceinture de petits astres. Et je ne pouvais pas finir cet article sans placer une maquette de C'est Pas Sorcier. 

Vingt ans après la découverte d'Astrée, en 1865, le Système solaire connu est composé de huit planètes (Mercure, Vénus, la Terre, Mars, Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune) et de plus de quatre-vingt astéroïdes identifiés. L'avalanche de découvertes de ces petits mondes continua ensuite jusqu'à nos jours.

•  Le 100e astéroïde est découvert en 1868 par l'astronome américain James Craig Watson.
•  Le 200e astéroïde est découvert en 1879 par l'astronome américain Christian H. F. Peters.
•  Le 500e astéroïde est découvert en 1903 par l'astronome allemand Maximilien F. Wolf. 
•  Le 1000e astéroïde est découvert en 1923 par l'astronome allemand Karl Wilhelm Reinmuth. 

A l'heure actuelle, on en est à plus de 500 000 astéroïdes identifiés dans le Système solaire. 

Que sont devenues Cérès, Pallas, Junon et Vesta après la rétrogradation ?

Cérès affiche un diamètre de 950 kilomètres, elle reste toujours le plus grand membre de la ceinture d’astéroïde et représente à lui seul un tiers de la masse totale de cette population. Il est de plus le seul astéroïde dont la masse est suffisamment importante pour avoir donné à l'objet une forme sphérique. Cérès effectue un tour sur elle-même en environ neuf heures. On lui connait une structure différenciée : il s'est ainsi avéré que le noyau rocheux de l'astre est recouvert d'un manteau de glace. On soupçonne d'ailleurs celui-ci de recouvrir un possible océan d'eau liquide. La surface est quant à elle constituée de minéraux hydratés tels que des carbonates et des argiles. On note la présence d'une curieuse montagne en forme de pyramide dont l'origine n'est pas encore établie avec certitude et de taches blanches qui seraient des formations de sel. Cérès fut explorée entre 2015 et 2018 par la sonde spatiale américaine Dwan.  

(1) Cérès arborant ses fameux points lumineux qui ont tant fait parler. 

Pallas est de forme plus irrégulière que Cérès, Pallas représente tout de même 7% de la masse de la ceinture d’astéroïdes et mesure plus de 550 kilomètres dans sa plus grande dimension. Avec une surface composée essentiellement de silicate, la différenciation observée de l'astre laisse à penser qu'il s'agit probablement d'une protoplanète. Pallas n'a encore jamais été explorée, du fait de la forte inclinaison de son orbite qui la rend extrêmement difficile à atteindre.

Le meilleur portrait disponible en 2019 de (2) Pallas.

Junon n'a beau avoir qu'un maximum de 290 kilomètres de diamètre (du fait de sa forme très irrégulière), ce troisième astéroïde se remarque par l'albédo inhabituellement élevé qui est le sien, plus que la planète Neptune, et qui permet de comprendre pourquoi un objet si petit a pu être découvert aussi tôt dans la découverte des astéroïdes.

(3) Junon mériterait une mise au point...

Vesta a le titre de plus brillant des astéroïdes et est le second plus gros dans la ceinture. Comme Pallas, il est probablement le reste d'une protoplanète qui ne put grandir davantage dans cette région gouvernée par la force gravitationnelle de Jupiter. L'astre arbore des cratères géants. Vesta est notamment l'objet d'origine d'une famille de météorites pierreuses que l'on trouve sur la Terre. La planète d'Olbers fut explorée par la sonde américaine Dawn entre 2011 et 2014. 

(4) Vesta vu par la sonde américaine Dawn.

Conclusion

Comme vous l'avez vu, l'histoire de Cérès, Pallas, Junon et Vesta fait grandement écho à ce que nous avons connu voici une dizaine d'années avec Pluton. Des découvertes et une rétrogradation pour exactement les mêmes raisons. Repensez-y lorsque vous reverrez un astronome américain hurler qu'il faut à tout prix que Pluton redevienne une planète et que la définition de l'UAI ne vaut pas un clou 😉 !

Ah et pour terminer, finissons sur un dernier point : la loi de Titius-Bode qui a permis de découvrir les quatre premiers astéroïdes fut mise en échec par la découverte de Neptune en 1846, puisque cette huitième planète n'entre pas dans la suite attendue. Idem pour Pluton ensuite, laquelle doit d'ailleurs, elle aussi, sa découverte à une hypothèse fausse (coucou Percival Lowell ^^).  

Sources : 
Stéphane Fay, La ceinture d’astéroïdes, article publié dans le hors-série Le nouveau Système solaire du magazine Ciel et Espace, mars 2016, p. 50-53.
Camille Flammarion, Astronomie Populaire (1880), ed. Champs classiques, 2009, p. 128-140.
Alain Doressoundiram et Emmanuel Lellouch, Aux confins du Système solaire, ed. Belin, 2008, p. 17-19.
François Arago, Astronomie populaire, sur Gallica.fr, 1836.
Wikipédia.
Documentaire Un, deux, trois, planètes ! avec Alain Doressoundiram.
Vidéo Pourquoi Pluton n'est plus une planète ? réalisée par LeMonde.fr