Objectif Lutetia .. 10 juillet 2010

Episode 1 : Forme ?

En classe

Fig.1 : Forme synthétique de Lutetia
(Carry et al., 2010. soumis à Astronomy & Astrophysics)

Le 10 juillet 2010, la sonde spatiale européenne Rosetta survolera l'astéroïde 21 Lutetia à une distance d'environ 3000 km. A cet instant, Lutetia sera à une distance de la Terre de 450 millions de km.

Il fait partie de la Ceinture principale d'astéroïdes située entre Mars et Jupiter dont on pense qu'ils constituent les "briques" d'une planète empéchée de se former par la puissante planète Jupiter. Ce petit objet, dont la taille est estimée à une centaine de kilomètres, doit son nom a celui de Paris en latin où il fut découvert en 1852.

Vu depuis la Terre, il apparait aussi petit qu'une pièce d'un euro placée à une distance de 11km. Autant dire que son observation télescopique est des plus difficiles. Elle nécessite l'emploi des plus grands télescopes au sol actuels si l'on désire mieux connaitre cet objet, sa forme, sa rotation propre avant sa rencontre avec la sonde Rosetta.

C'est ce qui a été réalisé par une équipe internationale emmenée par Benoît Cary de l'Observatoire de Paris. Grâce à un travail de deux ans sur le télescope de 10m de l'observatoire W.M. Keck et sur celui de 8m du VLT (ESO) il a été possible de reconstituer la forme tridimensionnelle de 21 Lutetia que l'on peut contempler dans l'animation suivante (Fig.1).

Episode 2: Composition de surface ?

Spectroscopie infrarouge de Lutetia

Fig.2 : Spectre infarouge de Lutetia. (Nedelcu et al, A&A, 2007)

Lutetia est étudié depuis de nombreuses années de manière intensive. L'une des curiosités de cet objet qui donne à la mission Rosetta tout son intérêt réside dans sa composition de surface. Dans les années 80 Lutetia fut d'accord classé au rang des astéroïdes de type M, c'est-à-dire ayant une possible composition métallique. En somme on s'imaginait Lutetia comme un gros morceau de métal, possible reste d'un objet parent plus massif ayant opéré une différentiation interne entre composants lourds et composants légers.

Cependant d'autres observations spectroscopiques plus récentes indiquent au contraire que Lutetia serait en fait de composition similaire à celle des météorites appelées "chondrites carbonées" (Fig.2 , Nedelcu et al, A&A, 2007). De plus, la légère différence de pente spectrale est la preuve d’une surface inhomogène , ce qui prouve des minéralogies distinctes dans certaines régions.

Composition solaire

Fig.3 : Comparaison entre la composition élémentaire des chondrites carbonées et celle du Soleil. Une excellente corrélation apparaît, sauf pour les éléments volatils (hydrogène, hélium, gaz rares, carbone …) qui sont difficiles à piéger dans les silicates.

Ces météorites, recueillies et analysées sur Terre, comportent de nombreux chondres (du grec chondron qui signifie granule) qui sont des billes minuscules de silicate de quelques millimètres de diamètre insérés dans une matrice ferro-silicatée. Ces chondres résultent de la cristallisation rapide de gouttes liquides silicatées lors de la condensation de la nébuleuse solaire qui a donnée naissance au système solaire il y a 4,56 milliards d'années. Ce sont donc les roches les plus anciennes du système solaire. Preuve à cela leur composition élémentaire très voisine de celle du Soleil (Fig.3). Les chondrites carbonnées sont caractérisées par leur richesse en carbone, en eau et en volatiles (gaz rares) par rapport aux autres types de chondrites. Le carbone (jusqu'à 5% en masse) se trouve sous différentes formes : carbonates, grains de carbure de silicium, diamants, grains de graphite et matière organique.

 
 
 
 
 

Episode 3: Courbe de rotation ou courbe de lumière

Courbe de lumiere de Lutetia - mai 2010

Fig. 4 : Courbe de lumière composite de Lutetia réalisée sur le C14 (Diamètre de 35cm) de l'observatoire des Makes (Ile de la Réunion) - cliquer pour agrandir

A partir de la connaissance de la forme de Lutetia et de l'orientation dans l'espace de son axe de rotation, il est possible de reconstituer sa courbe de lumière. Cette courbe de lumière n'est autre que la variation temporelle de son éclat lors de sa rotation propre. L'astéroïde, en forme de poire, tourne dans l'espace autour d'une direction imaginaire mais toujours identique, tout comme le fait la Terre.

La lumière qu'il nous renvoie n'est que de la lumière solaire rediffusée par la fine couche de poussière se trouvant en surface. Dans cette lumière il y a également des ombres, celles projetées par l'astéroïde faisant face au Soleil et que nous regardons de coté.

Cette courbe de lumière est en quelque sorte le paraphe de l'astéroïde, un paraphe qui se renouvelle indéfiniment chaque fois qu'un tour complet a été effectué. Cependant il est lui-même changeant selon l'aspect que l'astéroïde présentera à un observateur terrestre.

Courbe de lumiere synthetique de Lutetia

Fig. 5 : Courbe de lumière synthétique de Lutetia au 16 mai 2010 - cliquer pour agrandir

La figure 4 présente la courbe de lumière composite de Lutetia obtenue à partir d'observations photométriques effectuées à l'observatoire des Makes (Ile de la Réunion) sur un petit télescope de 35cm (C14). Les observations ont été collectées durant les nuits des 16 et 17 mai 2010. Chaque point de mesure photométrique provient de l'enregistrement d'une image du champ de Lutetia dans laquelle le flux lumineux de Lutetia a été mesuré par rapport au flux d'une étoile de référence qui sert d'étalon pour chaque image. La courbe en traits pleins est le courbe numérique calculé à partir du modéle de forme 3D (voir Fig.1), de la connaissance de l'orientation du pole de rotation dans l'espace et de la période de rotation propre de l'astéroïde (P=8.1683h). La figure 5 visualise l'aspect et la rotation de Lutetia au moment même où ces observations ont été faites. L'angle de phase est de prè de 20 degrés. C'est l'angle qui caractérise l'amplitude angulaire avec laquelle l'observateur terrestre s'est écarté de la direction astéroïde-Soleil. Par comparaison avec la Lune, l'angle de phase est nul à la pleine Lune, c'est-à-dire que le Soleil et un observateur terrestre voient la Lune dans la même direction.

Lutetia devant M95

Fig. 6 : Image de Lutetia passant devant la galaxie M95 dans le Lion faite au C14 de l'observatoire des Makes (Ile de la Rénion). - cliquer pour agrandir

 
 
L'image de la figure 6 a été faite le 22 mai 2010 à 16:41 UTC avec un temps d'exposition de 48mn. Lutetia est alors à 2.46 ua de la Terre et a une magnitude visuelle apparente de 12.5. On notera le déplacement rapide de l'astéroïde laissant comme une petite griffe sur la Galaxie M95 (galaxie spirale barrée du Lion) en arriere plan qui elle se trouve à 38 millions d'années de lumière.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Episode 4 : Images de la caméra OSIRIS embarquée sur la sonde ROSETTA

La figure 7 présente la premiàre image prise par la caméra OSIRIS. L'astéroïde Lutetia se trouve alors à une distance de 2 millions de kilomètres. Cette image a été prise le 9 juillet 2010.

Image Lutetia

Fig. 7 : Image de Lutetia prise le 9 juillet 2010 - Crédit : NASA/JPL - Caltech/ESA - cliquer pour agrandir

Image Lutetia

Fig. 8: succession d'images de Lutetia prises le 10 juillet 2010 - Crédit : ESA - cliquer pour agrandir

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Les figures 8 et 9 sont issues d'images prises le 10 juillet 2010 alors que la sonde s'approchait de Lutetia. L'image la mieux détailléee est la dernière avec des détails de 2km (Fig. 9). Elle a été faite à une distance de 80000km. Comparée à son modèle numérique, on peut y vérifier le très bon accord.

De ces images il sera possible d'obtenir un modèle topographique très précis ainsi qu'une mesure très précise de ses dimensions et de sa masse et par conséquent de sa densité.

La figure 10 montre en comparaison une simulation du survol de l'astéroïde Lutetia par la sonde Rosetta. Elle peut être directement mise en regard avec les images effectivement obtenues au fur et à mesure du rapprochement (Fig. 8).

Image Lutetia

Fig. 9: Image de Lutetia prise le 10 juillet 2010 à 80000km de distance comparée à son modèle topographique - Crédit : ESA - cliquer pour agrandir

Animation du survol de  Lutetia

Fig. 10: Simlulation du survol de Lutetia le 10 juillet 2010 - Crédit : Benoît Carry (Obs. Paris - lESIA) - cliquer pour agrandir

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Episode 5 : Quelle est la nature de l'astéroïde Lutetia?

L'Astéroïde Lutetia se révèle comme un monde recouvert de cratères. La mission Rosetta de l'ESA a permis d'acquérir les premières images de plan rapproché de l'astéroïde, montrant qu'il s'agit sans doute d'un survivant primitif datant de l'époque violente de la naissance du Système Solaire.

Animation du survol de  Lutetia

Fig. 11: Image de Lutetia du 10 juillet 2010 prise 1:50h avant le rapprochement - Crédit : ESA - cliquer pour agrandir

La surface de Lutetia est lourdement cratérisée, ayant subie de nombreux impacts pendant ses 4.5 milliards d'ans d'existence. Les images confirment que Lutetia est un corps allongé piriforme dont le plus long côté atteint les 130 kms. Les détails les plus fins ont une résolution de 60 mètres et peuvent être vus sur la surface entière de Lutetia.

Les résultats de composition de surface provenant d'autres instruments embarqués sur la sonde ne sont pas encore connus. On ne peut donc trancher si Lutetia est un astéroïde de type C (carboné et donc primitif) ou M (métallique). Cependant les premières images semblent privilégier la première option.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Références

 

[1] Carry, B. et al., 2010. Physical properties of ESA Rosetta target asteroid (21) Lutetia; Shape and flyby geometry. Astronomy & Astrophysics, soumis.
[2] Drummond, J. et al., 2010. The triaxial ellipsoid dimensions, rotational pole, and bulk density of ESA Rosetta target asteroid (21) Lutetia. Astronmy & Astrophysics, soumis.
[3] Belskaya, I.N. et al., 2010. Puzzling asteroid 21 Lutetia: our knowledge prior tot he Rosetta fly-by. . Astronomy & Astrophysics, 515, A29.
[4] Lamy, P.L. et al., 2010. Thermal properties of asteroid 21 Lutetia form Spitzer Space Telescope observations. . Astronomy & Astrophysics, 516, A74.
[5] Perna, D. et al., 2010. Inhomogeneities on the surface od 21 Lutetia, the asteroid target of the Rosetta mission. . Astronomy & Astrophysics, 513, L4.
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