Tout comme la poussière s'accumule dans les coins et le long des étagères de nos maisons, la poussière s'accumule aussi dans l'espace. Mais quand la poussière se dépose dans le système solaire, c'est souvent dans les anneaux. Plusieurs anneaux de poussière entourent le Soleil. Les anneaux tracent les orbites des planètes, dont la gravité tire la poussière en place autour du Soleil, alors qu'il dérive sur son chemin vers le centre du système solaire.

La poussière est constituée de restes broyés issus de la formation du système solaire, il y a quelque 4,6 milliards d'années, des décombres de collisions d'astéroïdes ou des miettes de comètes en feu. La poussière est dispersée dans tout le système solaire, mais il s'accumule au niveau des anneaux granuleux recouvrant les orbites de la Terre et de Vénus, anneaux qui peuvent être vus avec des télescopes sur Terre. En étudiant cette poussière, de quoi elle est faite, d'où ça vient, et comment il se déplace dans l'espace - les scientifiques cherchent des indices pour comprendre la naissance des planètes et la composition de tout ce que nous voyons dans le système solaire.

Deux études récentes rapportent de nouvelles découvertes d'anneaux de poussière dans le système solaire interne. Une étude utilise les données de la NASA pour mettre en évidence la présence d'un anneau de poussière autour du Soleil sur l'orbite de Mercure. Une deuxième étude de la NASA identifie la source probable de l'anneau de poussière sur l'orbite de Vénus :un groupe d'astéroïdes jamais détectés auparavant co-orbitant avec la planète.

"Ce n'est pas tous les jours qu'on découvre quelque chose de nouveau dans le système solaire interne, " a déclaré Marc Kuchner, auteur de l'étude de Vénus et astrophysicien au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland. "C'est juste dans notre quartier."

Un autre anneau autour du soleil

Guillermo Stenborg et Russell Howard, les deux scientifiques solaires au Naval Research Laboratory à Washington, D.C., n'a pas cherché à trouver un anneau de poussière. "Nous l'avons trouvé par hasard, " Stenborg a dit, en riant. Les scientifiques ont résumé leurs découvertes dans un article publié dans Le Journal d'Astrophysique le 21 novembre, 2018.

Ils décrivent des preuves d'une fine brume de poussière cosmique sur l'orbite de Mercure, formant un anneau d'environ 9,3 millions de miles de large. Mercure-3, 030 milles de large, juste assez grand pour que les États-Unis continentaux s'étendent à travers - patauge dans cette vaste traînée de poussière alors qu'elle fait le tour du Soleil.

Ironiquement, les deux scientifiques sont tombés sur l'anneau de poussière alors qu'ils cherchaient des preuves d'une région sans poussière proche du Soleil. A quelque distance du Soleil, selon une prédiction vieille de plusieurs décennies, la puissante chaleur de l'étoile devrait vaporiser la poussière, balayer toute une étendue d'espace. Savoir où se trouve cette limite peut renseigner les scientifiques sur la composition de la poussière elle-même, et faire allusion à la façon dont les planètes se sont formées dans le jeune système solaire.

Jusque là, aucune preuve n'a été trouvée d'espace sans poussière, mais c'est en partie parce qu'il serait difficile à détecter depuis la Terre. Peu importe à quoi ressemblent les scientifiques depuis la Terre, toute la poussière entre nous et le soleil se met en travers du chemin, leur faire croire que l'espace près du Soleil est peut-être plus poussiéreux qu'il ne l'est réellement.

Stenborg et Howard ont pensé qu'ils pourraient contourner ce problème en construisant un modèle basé sur des images de l'espace interplanétaire du satellite STEREO de la NASA, abréviation de Solar and Terrestrial Relations Observatory.

Finalement, les deux voulaient tester leur nouveau modèle en préparation de la sonde solaire Parker de la NASA, qui vole actuellement sur une orbite hautement elliptique autour du Soleil, se rapprochant de plus en plus de l'étoile au cours des sept prochaines années. Ils voulaient appliquer leur technique aux images que Parker renverra sur Terre et voir comment se comporte la poussière près du Soleil.

Les scientifiques n'ont jamais travaillé avec des données collectées dans ce territoire inexploré, si près du Soleil. Des modèles comme ceux de Stenborg et Howard fournissent un contexte crucial pour comprendre les observations de Parker Solar Probe, ainsi que des allusions au type d'environnement spatial dans lequel le vaisseau spatial se trouvera - de la suie ou d'une propreté éclatante.

Deux types de lumière apparaissent dans les images STÉRÉO :la lumière de l'atmosphère extérieure flamboyante du Soleil, appelée couronne, et la lumière réfléchie par toute la poussière flottant dans l'espace. La lumière du soleil se reflétait sur cette poussière, qui tourne lentement autour du Soleil, est environ 100 fois plus lumineuse que la lumière coronale.

"Nous ne sommes pas vraiment des gens de la poussière, " dit Howard, qui est également le scientifique principal pour les caméras sur STEREO et Parker Solar Probe qui prennent des photos de la couronne. "La poussière proche du Soleil apparaît juste dans nos observations, et généralement, nous l'avons jeté. » Des scientifiques solaires comme Howard, qui étudient l'activité solaire à des fins telles que la prévision de la météo spatiale imminente, y compris des explosions géantes de matière solaire que le Soleil peut parfois nous envoyer - ont passé des années à développer des techniques pour éliminer l'effet de cette poussière. Ce n'est qu'après avoir éliminé la contamination légère de la poussière qu'ils peuvent clairement voir ce que fait la couronne.

Les deux scientifiques ont construit leur modèle comme un outil permettant à d'autres de se débarrasser de la poussière embêtante dans les images STEREO - et éventuellement Parker Solar Probe, mais la prédiction d'un espace sans poussière s'attardait au fond de leurs esprits. S'ils pouvaient trouver un moyen de séparer les deux types de lumière et d'isoler la poussière-brillance, ils pouvaient déterminer la quantité de poussière réellement présente. Constatant que toute la lumière d'une image provenait uniquement de la couronne, par exemple, pourrait indiquer qu'ils avaient enfin trouvé un espace sans poussière.

L'anneau de poussière de Mercure était une trouvaille chanceuse, une découverte secondaire que Stenborg et Howard ont faite pendant qu'ils travaillaient sur leur modèle. Lorsqu'ils ont utilisé leur nouvelle technique sur les images STEREO, ils ont remarqué un motif de luminosité accrue le long de l'orbite de Mercure - plus de poussière, c'est-à-dire à la lumière qu'ils avaient autrement prévu de jeter.

"Ce n'était pas une chose isolée, " Howard a dit. " Tout autour du Soleil, quelle que soit la position de l'engin spatial, nous pouvions voir la même augmentation de cinq pour cent de la luminosité de la poussière, ou densité. Cela dit quelque chose était là, et c'est quelque chose qui s'étend tout autour du Soleil."

Les scientifiques n'ont jamais pensé qu'un anneau pourrait exister le long de l'orbite de Mercure, c'est peut-être pourquoi il n'a pas été détecté jusqu'à présent, dit Stenborg. "Les gens pensaient que Mercure, contrairement à la Terre ou à Vénus, est trop petit et trop proche du Soleil pour capturer un anneau de poussière, " a-t-il dit. " Ils s'attendaient à ce que le vent solaire et les forces magnétiques du Soleil chassent tout excès de poussière sur l'orbite de Mercure. "

Avec une découverte inattendue et un nouvel outil sensible à leur actif, les chercheurs s'intéressent toujours à la zone sans poussière. Alors que Parker Solar Probe poursuit son exploration de la couronne, leur modèle peut aider les autres à révéler d'autres lapins de poussière qui se cachent près du Soleil.

Astéroïdes cachés dans l'orbite de Vénus

Ce n'est pas la première fois que des scientifiques découvrent un anneau de poussière dans le système solaire interne. Il y a vingt-cinq ans, les scientifiques ont découvert que la Terre orbite autour du Soleil dans un anneau géant de poussière. D'autres ont découvert un anneau similaire près de l'orbite de Vénus, utilisant pour la première fois les données d'archives des sondes spatiales germano-américaines Helios en 2007, puis le confirmant en 2013, avec des données STÉRÉO.

Depuis, les scientifiques ont déterminé que l'anneau de poussière en orbite terrestre provient en grande partie de la ceinture d'astéroïdes, la vaste, région en forme de beignet entre Mars et Jupiter où vivent la plupart des astéroïdes du système solaire. Ces astéroïdes rocheux s'écrasent constamment les uns contre les autres, la poussière desquamation qui dérive plus profondément dans la gravité du soleil, à moins que la gravité terrestre n'écarte la poussière, dans l'orbite de notre planète.

En premier, il semblait probable que l'anneau de poussière de Vénus se soit formé comme celui de la Terre, de la poussière produite ailleurs dans le système solaire. Mais lorsque l'astrophysicien Goddard Petr Pokorny a modélisé la poussière en spirale vers le Soleil à partir de la ceinture d'astéroïdes, ses simulations ont produit un anneau qui correspondait aux observations de l'anneau de la Terre, mais pas de Vénus.

Cet écart l'a fait se demander si ce n'est pas la ceinture d'astéroïdes, d'où vient la poussière sur l'orbite de Vénus ? Après une série de simulations, Pokorny et son partenaire de recherche Marc Kuchner ont émis l'hypothèse qu'il provenait d'un groupe d'astéroïdes jamais détectés auparavant qui orbitent autour du Soleil aux côtés de Vénus. Ils ont publié leur travail dans Les lettres du journal astrophysique le 12 mars, 2019.

"Je pense que la chose la plus excitante à propos de ce résultat est qu'il suggère une nouvelle population d'astéroïdes qui détient probablement des indices sur la formation du système solaire, " dit Kuchner. Si Pokorny et Kuchner peuvent les observer, cette famille d'astéroïdes pourrait faire la lumière sur les premières histoires de la Terre et de Vénus. Vu avec les bons outils, les astéroïdes pourraient également révéler des indices sur la diversité chimique du système solaire.

Parce qu'il est dispersé sur une plus grande orbite, L'anneau de poussière de Vénus est beaucoup plus grand que l'anneau nouvellement détecté chez Mercure. Environ 16 millions de miles de haut en bas et 6 millions de miles de large, l'anneau est jonché de poussière dont les plus gros grains ont à peu près la taille de ceux du papier de verre grossier. Il est environ 10 pour cent plus dense en poussière que l'espace environnant. Toujours, c'est diffus - emballez toute la poussière de l'anneau ensemble, et tout ce que vous obtiendrez, c'est un astéroïde de trois kilomètres de diamètre.

En utilisant une douzaine d'outils de modélisation différents pour simuler le mouvement de la poussière dans le système solaire, Pokorny a modélisé toutes les sources de poussière auxquelles il pouvait penser, à la recherche d'un anneau de Vénus simulé qui correspond aux observations. La liste de toutes les sources qu'il a essayées ressemble à un appel nominal de tous les objets rocheux du système solaire :astéroïdes de la ceinture principale, les comètes du nuage d'Oort, comètes de type Halley, les comètes de la famille Jupiter, collisions récentes dans la ceinture d'astéroïdes.

"Mais aucun d'eux n'a fonctionné, " dit Kuchner. " Alors, nous avons commencé à fabriquer nos propres sources de poussière."

Peut-être, pensèrent les deux scientifiques, la poussière provenait d'astéroïdes beaucoup plus proches de Vénus que de la ceinture d'astéroïdes. Il pourrait y avoir un groupe d'astéroïdes co-orbitant autour du Soleil avec Vénus, ce qui signifie qu'ils partagent l'orbite de Vénus, mais reste loin de la planète, souvent de l'autre côté du Soleil. Pokorny et Kuchner ont estimé qu'un groupe d'astéroïdes sur l'orbite de Vénus aurait pu passer inaperçu jusqu'à présent car il est difficile de pointer des télescopes terrestres dans cette direction, si près du Soleil, sans interférence lumineuse du Soleil.

Les astéroïdes co-orbitants sont un exemple de ce qu'on appelle une résonance, un modèle orbital qui verrouille différentes orbites ensemble, selon la façon dont leurs influences gravitationnelles se rencontrent. Pokorny et Kuchner ont modélisé de nombreuses résonances potentielles :des astéroïdes qui encerclent le Soleil deux fois pour trois des orbites de Vénus, par exemple, ou neuf fois pour les dix de Vénus, et un pour un. De toutes les possibilités, un seul groupe a produit une simulation réaliste de l'anneau de poussière de Vénus :un pack d'astéroïdes qui occupe l'orbite de Vénus, correspondant aux voyages de Vénus autour du Soleil un pour un.

Mais les scientifiques ne pouvaient pas l'appeler un jour après avoir trouvé une solution hypothétique qui fonctionnait. "Nous pensions avoir découvert cette population d'astéroïdes, mais ensuite j'ai dû le prouver et montrer que ça marche, " a déclaré Pokorny. "Nous sommes devenus excités, mais alors tu te rends compte, 'Oh, il y a tellement de travail à faire.'"

Ils devaient montrer que l'existence même des astéroïdes a un sens dans le système solaire. Ce serait peu probable, ils ont compris, que les astéroïdes dans ces spéciaux, les orbites circulaires près de Vénus y sont arrivées d'ailleurs comme la ceinture d'astéroïdes. Leur hypothèse aurait plus de sens si les astéroïdes avaient été là depuis le tout début du système solaire.

Les scientifiques ont construit un autre modèle, cette fois en commençant par une foule de 10, 000 astéroïdes voisins de Vénus. Ils ont laissé la simulation avancer rapidement à travers 4,5 milliards d'années d'histoire du système solaire, intégrant tous les effets gravitationnels de chacune des planètes. Lorsque le modèle est arrivé à nos jours, environ 800 de leurs astéroïdes de test ont survécu à l'épreuve du temps.

Pokorny considère cela comme un taux de survie optimiste. Cela indique que des astéroïdes ont pu se former près de l'orbite de Vénus dans le chaos du système solaire primitif, et certains pourraient y rester aujourd'hui, alimenter l'anneau de poussière à proximité.

La prochaine étape consiste à localiser et à observer les astéroïdes insaisissables. "S'il y a quelque chose là-bas, nous devrions pouvoir le trouver, " a déclaré Pokorny. Leur existence pourrait être vérifiée avec des télescopes spatiaux comme Hubble, ou peut-être des imageurs spatiaux interplanétaires similaires à STEREO. Puis, les scientifiques auront d'autres questions à répondre :combien y en a-t-il, et quelle est leur taille ? Est-ce qu'ils répandent continuellement de la poussière, ou y a-t-il eu juste un événement de rupture ?

Anneaux de poussière autour d'autres étoiles

Les anneaux de poussière que Mercure et Vénus bergers ne sont qu'à une planète ou deux, mais les scientifiques ont repéré de nombreux autres anneaux de poussière dans des systèmes stellaires lointains. De vastes anneaux de poussière peuvent être plus faciles à repérer que les exoplanètes, et pourrait être utilisé pour déduire l'existence de planètes autrement cachées, et même leurs propriétés orbitales.

Mais interpréter les anneaux de poussière extrasolaires n'est pas simple. "Afin de modéliser et de lire avec précision les anneaux de poussière autour d'autres étoiles, nous devons d'abord comprendre la physique de la poussière dans notre propre arrière-cour, " a déclaré Kuchner. En étudiant les anneaux de poussière voisins à Mercure, Vénus et la Terre, où la poussière trace les effets durables de la gravité dans le système solaire, les scientifiques peuvent développer des techniques de lecture entre les anneaux de poussière à la fois proches et lointains.