« Les lunes peuvent-elles avoir des lunes ? »

Cette simple question, posée par le fils de quatre ans de Juna Kollmeier de Carnegie, a tout déclenché. Peu de temps après cette requête initiale à l'heure du coucher, Kollmeier coordonnait un programme à l'Institut Kavli de physique théorique (KITP) sur la Voie lactée tandis que son ancien camarade de classe Sean Raymond de l'Université de Bordeaux suivait un programme parallèle KITP sur la dynamique des planètes semblables à la Terre. Après avoir discuté de cette question très simple lors d'un séminaire, les deux ont uni leurs forces pour le résoudre. Leurs conclusions sont à la base d'un article publié dans Avis mensuels de la Royal Astronomical Society .

Le duo a déclenché une tempête sur Internet à la fin de l'année dernière lorsqu'ils ont publié un brouillon de leur article examinant la possibilité de lunes qui orbitent autour d'autres lunes sur un serveur de préimpression pour les manuscrits de physique et d'astronomie.

La conversation en ligne était obsédée par le meilleur terme pour décrire de tels phénomènes avec des options telles que les lunes de lune et les mini-lunes étant ajoutées au mélange. Mais la nomenclature n'était pas le sujet de l'enquête de Kollmeier et Raymond (bien qu'ils aient une préférence pour les sous-lunes). Plutôt, ils se sont attachés à définir les paramètres physiques des lunes susceptibles d'être placées en orbite stable par d'autres, des lunes plus petites.

"Les planètes tournent autour des étoiles et les lunes tournent autour des planètes, il était donc naturel de se demander si des lunes plus petites pouvaient orbiter autour de plus grandes, " expliqua Raymond.

Leurs calculs montrent que seules les grandes lunes sur de larges orbites à partir de leurs planètes hôtes pourraient héberger des sous-lunes. Les forces de marée de la planète et de la lune agissent pour déstabiliser les orbites des sous-lunes en orbite autour de lunes plus petites ou plus proches de leur planète hôte.

Ils ont découvert que quatre lunes de notre propre système solaire sont théoriquement capables d'héberger leurs propres sous-lunes satellites. Callisto, la lune de Jupiter, Les lunes Titan et Japet de Saturne, et la propre Lune de la Terre correspondent tous à la facture d'un satellite qui pourrait héberger son propre satellite, bien qu'aucun n'ait été trouvé jusqu'à présent. Cependant, ils ajoutent que des calculs supplémentaires sont nécessaires pour traiter les sources possibles d'instabilité de la sous-lune, comme la concentration non uniforme de masse dans la croûte de notre Lune.

"Le manque de sous-lunes connues dans notre système solaire, même en orbite autour de lunes qui pourraient théoriquement supporter de tels objets, peut nous offrir des indices sur la formation de nos propres planètes et de celles voisines, sur laquelle il reste encore de nombreuses questions en suspens, " a expliqué Kollmeier.

On pense que les lunes en orbite autour de Saturne et de Jupiter sont nées du disque de gaz et de poussière qui entoure les planètes géantes gazeuses aux derniers stades de leur formation. Notre propre Lune, d'autre part, On pense qu'il est né à la suite d'un impact géant entre la jeune Terre et un corps de la taille de Mars. L'absence de sous-lunes stables pourrait aider les scientifiques à mieux comprendre les différentes forces qui ont façonné les satellites que nous voyons.

Kollmeier a ajouté :"et, bien sûr, cela pourrait éclairer les efforts en cours pour comprendre comment les systèmes planétaires évoluent ailleurs et comment notre propre système solaire s'intègre dans les milliers d'autres découverts par les missions de chasse aux planètes. »

Par exemple, l'exomoon possible nouvellement découverte en orbite autour du Kepler 1625b de la taille de Jupiter est la bonne masse et la bonne distance de son hôte pour supporter une sous-lune, Kollmeier et Raymond ont trouvé. Même si, l'inclinaison inférée de son orbite pourrait rendre difficile pour un tel objet de rester stable. Cependant, détecter une sous-lune autour d'une exoune serait très difficile.

Compte tenu de l'excitation entourant les recherches d'exoplanètes potentiellement habitables, Kollmeier et Raymond ont calculé que le meilleur scénario pour la vie sur de grandes sous-lunes est autour d'étoiles massives. Bien qu'extrêmement courante, les petites étoiles naines rouges sont si faibles et leurs zones habitables si proches que les forces de marée sont très fortes et que les sous-lunes (et souvent même les lunes elles-mêmes) sont instables.

Finalement, les auteurs soulignent qu'une sous-lune artificielle peut être stable et ainsi servir de capsule temporelle ou d'avant-poste. Sur une orbite stable autour de la Lune, comme celle de la passerelle lunaire proposée par la NASA, une sous-lune garderait les trésors de l'humanité en sécurité pour la postérité longtemps après que la Terre deviendrait impropre à la vie. Kollmeier et Raymond conviennent qu'il y a beaucoup plus de travail à faire (et de plaisir à avoir) pour comprendre les sous-lunes (ou leur absence) comme un enregistrement rocheux de l'histoire des systèmes planète-lune.