Je suis perplexe quant à la raison pour laquelle les planètes, les étoiles et les lunes sont toutes rondes (quand) d’autres objets grands et petits comme les astéroïdes et les météorites ont des formes irrégulières?
– Lionel Young, 74 ans, Launceston, Tasmanie
C’est une question fantastique Lionel, et une très bonne observation!
Lorsque nous observons le système solaire, nous voyons des objets de toutes tailles – des minuscules grains de poussière aux planètes géantes et au Soleil. Un thème commun à ces objets est que les grands sont (plus ou moins) ronds, tandis que les petits sont irréguliers. Mais pourquoi?
Une variété de petits corps du système solaire, à l’échelle. Les plus gros objets sont ronds, mais les petits sont tout sauf ça! Wikipedia/Antonio Ciccolella
La gravité: la clé pour que les grands objets soient ronds….
La réponse à la raison pour laquelle les plus gros objets sont ronds se résume à l’influence de la gravité. L’attraction gravitationnelle d’un objet sera toujours dirigée vers le centre de sa masse. Plus un objet est grand, plus il est massif, et plus son attraction gravitationnelle est importante.
Pour les objets solides, cette force est opposée par la force de l’objet lui-même. Par exemple, la force vers le bas que vous subissez en raison de la gravité terrestre ne vous attire pas vers le centre de la Terre. C’est parce que le sol repousse vers vous; il a trop de force pour vous laisser vous enfoncer à travers lui.
Cependant, la force de la Terre a des limites. Pensez à une grande montagne, comme le mont Everest, qui devient de plus en plus grande à mesure que les plaques de la planète se poussent les unes contre les autres. À mesure que l’Everest devient plus haut, son poids augmente jusqu’au point où il commence à s’enfoncer. Le poids supplémentaire poussera la montagne vers le manteau terrestre, limitant la hauteur qu’elle peut atteindre.
Quelle hauteur peut atteindre une montagne sur Terre?
Si la Terre était entièrement constituée d’océan, le mont Everest ne ferait que s’enfoncer jusqu’au centre de la Terre (en déplaçant toute l’eau qu’il traverse). Toutes les zones où l’eau était inhabituellement haute s’enfonceraient, tirées vers le bas par la gravité de la Terre. Les zones, où l’eau était anormalement basse, seraient remplies par de l’eau déplacée d’ailleurs, avec pour résultat que cette Terre océanique imaginaire deviendrait parfaitement sphérique.
Mais le fait est que la gravité est en fait étonnamment faible. Un objet doit être vraiment très grand avant de pouvoir exercer une attraction gravitationnelle suffisamment forte pour surmonter la résistance du matériau dont il est fait. Les objets solides plus petits (mètres ou kilomètres de diamètre) ont donc une attraction gravitationnelle trop faible pour leur donner une forme sphérique.
C’est d’ailleurs la raison pour laquelle vous n’avez pas à vous inquiéter de vous effondrer en une forme sphérique sous votre propre attraction gravitationnelle – votre corps est bien trop fort pour que l’infime attraction gravitationnelle qu’il exerce le fasse.
Atteindre l’équilibre hydrostatique
Lorsqu’un objet est suffisamment grand pour que la gravité l’emporte – en surmontant la force du matériau dont l’objet est fait – elle aura tendance à tirer tout le matériau de l’objet en une forme sphérique. Les parties de l’objet qui sont trop hautes seront tirées vers le bas, déplaçant le matériau en dessous d’elles, ce qui fera que les zones qui sont trop basses seront poussées vers l’extérieur.
Lorsque cette forme sphérique est atteinte, on dit que l’objet est en équilibre hydrostatique. Mais quelle doit être la masse d’un objet pour atteindre l’équilibre hydrostatique? Cela dépend de sa composition. Un objet constitué uniquement d’eau liquide y parviendrait très facilement, car il n’aurait essentiellement aucune force, les molécules d’eau se déplaçant très facilement.
Pendant ce temps, un objet fait de fer pur devrait être beaucoup plus massif pour que sa gravité puisse surmonter la force inhérente du fer. Dans le système solaire, le diamètre seuil requis pour qu’un objet glacé devienne sphérique est d’au moins 400 kilomètres – et pour les objets constitués principalement de matériaux plus résistants, ce seuil est encore plus grand.
La lune de Saturne Mimas, qui ressemble à l’étoile de la mort, est sphérique et a un diamètre de 396 km. C’est actuellement le plus petit objet connu qui pourrait répondre au critère.
La lune de Saturne Mimas, telle qu’imagée par la sonde Cassini, est à peine assez grande pour que la gravité lui donne une forme sphérique. Le vaste cratère Herschel, qui fait ressembler Mimas à l’étoile de la mort, est la cicatrice d’un impact si important qu’il a presque détruit Mimas! NASA / JPL-Caltech / Institut des sciences de l’espace
Constamment en mouvement
Mais les choses se compliquent lorsque l’on pense au fait que tous les objets ont tendance à tourner ou à culbuter dans l’espace. Si un objet tourne, les emplacements situés à son équateur (le point à mi-chemin entre les deux pôles) ressentent effectivement une attraction gravitationnelle légèrement réduite par rapport aux emplacements situés près du pôle.
Il en résulte que la forme parfaitement sphérique à laquelle vous vous attendez en équilibre hydrostatique est déplacée vers ce que nous appelons un sphéroïde aplati – où l’objet est plus large à son équateur qu’à ses pôles. C’est le cas de notre Terre en rotation, qui a un diamètre équatorial de 12 756 km et un diamètre de pôle à pôle de 12 712 km.
Plus un objet dans l’espace tourne vite, plus cet effet est spectaculaire. Saturne, qui est moins dense que l’eau, tourne sur son axe toutes les dix heures et demie (alors que le cycle de 24 heures de la Terre est plus lent). Par conséquent, elle est beaucoup moins sphérique que la Terre.
Le diamètre équatorial de Saturne est légèrement supérieur à 120 500 km – tandis que son diamètre polaire est légèrement supérieur à 108 600 km. Cela représente une différence de près de 12 000 km!
La dernière mosaïque grand champ de Saturne et de ses lunes de la sonde Cassini, prise en septembre 2017, donne vraiment une idée de l’aplatissement de la planète géante! NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute
Certaines étoiles sont encore plus extrêmes. L’étoile brillante Altair, visible dans le ciel du nord de l’Australie pendant les mois d’hiver, est l’une de ces bizarreries. Elle tourne une fois toutes les neuf heures environ. C’est tellement rapide que son diamètre équatorial est 25% plus grand que la distance entre ses pôles!
La réponse courte
Plus on se penche sur une question comme celle-ci, plus on en apprend. Mais pour y répondre simplement, la raison pour laquelle les gros objets astronomiques sont sphériques (ou presque) est qu’ils sont suffisamment massifs pour que leur attraction gravitationnelle puisse surmonter la force du matériau dont ils sont faits.
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