Cérès (désignation de planète mineure : 1 Cérès) est classée comme une planète naine située dans la ceinture primaire d'astéroïdes, située entre les trajectoires orbitales de Mars et de Jupiter. Découvert le 1er janvier 1801 par Giuseppe Piazzi à l'Observatoire astronomique de Palerme en Sicile, il fut initialement identifié comme le premier astéroïde puis annoncé comme une nouvelle planète. Au fil du temps, Cérès a subi une reclassification, d'abord comme astéroïde et plus récemment comme planète naine, étant notamment la seule planète naine à ne pas orbiter au-delà de Neptune et la plus grande d'entre elles sans satellite naturel.
Cérès (désignation de planète mineure : 1 Cérès) est une planète naine située dans la ceinture principale d'astéroïdes entre les orbites de Mars et de Jupiter. C'était le premier astéroïde connu, découvert le 1er janvier 1801 par Giuseppe Piazzi à l'Observatoire astronomique de Palerme en Sicile, et annoncé comme une nouvelle planète. Cérès a ensuite été classée comme astéroïde et plus récemment comme planète naine, la seule à ne pas dépasser l'orbite de Neptune et la plus grande à ne pas avoir de lune.
Le diamètre de Cérès mesure environ un quart de celui de la Lune. De par ses dimensions modestes, Cérès reste imperceptible à l'œil nu, même à sa luminosité maximale, sauf dans des conditions de ciel exceptionnellement sombre. Sa magnitude apparente fluctue entre 6,7 et 9,3, atteignant son apogée lors de l'opposition – le point de sa plus grande proximité avec la Terre – qui se produit une fois tous les 15 à 16 mois de période synodique. Par conséquent, ses caractéristiques de surface étaient largement indiscernables, même avec des télescopes avancés, jusqu'à ce que le vaisseau spatial robotique de la NASA Dawn lance sa mission orbitale autour de Cérès en 2015.
La mission Dawn a révélé que la composition de la surface de Cérès était un mélange de glace d'eau et de minéraux hydratés, notamment des carbonates et de l'argile. Les données gravitationnelles indiquent que Cérès est partiellement différenciée, comprenant un manteau/noyau boueux (glace-roche) et une croûte moins dense, mais plus robuste, qui contient un maximum de trente pour cent de glace en volume. Même si un océan interne d'eau liquide est probable, les saumures continuent de circuler à travers le manteau externe et d'émerger à la surface, facilitant la formation de cryovolcans, comme Ahuna Mons, environ tous les cinquante millions d'années. Ce phénomène fait de Cérès le corps céleste cryovolcaniquement actif le plus proche du Soleil. De plus, Cérès possède une atmosphère extrêmement ténue et éphémère composée de vapeur d'eau, qui est émise par des sources de surface localisées.
Contexte historique
Découverte initiale
Au cours de la période allant de l'adoption de l'héliocentrisme au XVIIIe siècle à la découverte de Neptune en 1846, de nombreux astronomes ont avancé que les principes mathématiques indiquaient la présence d'une planète non découverte ou absente située entre les orbites de Mars et de Jupiter. Dès 1596, l'astronome théoricien Johannes Kepler émettait l'hypothèse que les rapports orbitaux des planètes s'aligneraient sur « le dessein de Dieu » seulement s'il existait deux planètes supplémentaires : une située entre Jupiter et Mars et une autre entre Vénus et Mercure. D'autres chercheurs, dont Immanuel Kant, se sont demandé si l'influence gravitationnelle de Jupiter aurait pu créer ce vide orbital. En 1761, l'astronome et mathématicien Johann Heinrich Lambert s'interrogeait : "Et qui sait s'il manque déjà des planètes qui ont quitté le vaste espace entre Mars et Jupiter ? Vaut-il donc aussi bien des corps célestes que de la Terre que les plus forts irritent les plus faibles, et que Jupiter et Saturne sont destinés à être pillés pour toujours ?"
En 1772, l'astronome allemand Johann Elert Bode, faisant référence à Johann Daniel Titius, a diffusé une formule mathématique appelée par la suite la loi de Titius-Bode. Cette loi prédisait apparemment les distances orbitales des planètes alors connues, à l’exception notable d’un vide inexpliqué entre Mars et Jupiter. La formule projetait l'existence d'une planète supplémentaire avec un rayon orbital d'environ 2,8 unités astronomiques (UA), équivalent à 420 millions de kilomètres, du Soleil. La loi Titius-Bode a acquis une crédibilité accrue après la découverte d'Uranus par William Herschel en 1781, qui a été trouvée à une distance conforme à la prédiction de la loi pour une planète au-delà de Saturne. Vers 1800, un collectif dirigé par Franz Xaver von Zach, rédacteur en chef de la revue astronomique allemande Monthly Correspondence, envoya des sollicitations à vingt-quatre astronomes chevronnés, qu'il désigna comme la « police céleste ». Ces demandes les poussaient à collaborer à une recherche systématique de la planète attendue. Bien que ce groupe n'ait finalement pas découvert Cérès, ils ont ensuite identifié les astéroïdes Pallas, Juno et Vesta.
Giuseppe Piazzi, prêtre catholique affilié à l'académie de Palerme en Sicile, faisait partie des astronomes choisis pour la recherche céleste. Avant son invitation à rejoindre ce groupe, Piazzi découvrit indépendamment Cérès le 1er janvier 1801. Son objectif initial était de localiser « la 87ème [étoile] du Catalogue des étoiles zodiacales de M. la Caille », mais il observa plutôt un objet « précédé d'un autre ». Cette entité en mouvement, semblable à une étoile, initialement présumée être une comète, était Cérès. Piazzi a effectué vingt-quatre observations de Cérès, se terminant le 11 février 1801, lorsque son travail fut interrompu pour cause de maladie. Il annonça officiellement sa découverte le 24 janvier 1801, par correspondance avec deux collègues : Barnaba Oriani de Milan et Bode de Berlin. Bien qu'il l'ait décrit comme une comète, Piazzi a noté que "étant donné que son mouvement est si lent et plutôt uniforme, il m'est venu à l'esprit à plusieurs reprises qu'il pourrait s'agir de quelque chose de mieux qu'une comète". En avril, Piazzi avait envoyé ses observations complètes à Oriani, Bode et à l'astronome français Jérôme Lalande. Ces découvertes furent ensuite publiées dans l'édition de septembre 1801 du Monatliche Correspondenz.
Par la suite, la position apparente de Cérès s'était modifiée, principalement influencée par le mouvement orbital de la Terre, la rendant trop proche de l'éblouissement du Soleil pour que d'autres astronomes puissent corroborer les observations initiales de Piazzi. Même si Cérès devait réapparaître vers la fin de l'année, il s'est avéré difficile de prévoir avec précision son emplacement après une période aussi longue. Pour faciliter la récupération de Cérès, le mathématicien Carl Friedrich Gauss, âgé de vingt-quatre ans, a mis au point une méthode efficace de détermination orbitale. En quelques semaines, il réussit à prédire la trajectoire de Cérès et à transmettre ses calculs à von Zach. Le 31 décembre 1801, von Zach, aux côtés de Heinrich W. M. Olbers, localisa Cérès à proximité immédiate des coordonnées prédites et entreprit de documenter sa position. Située à 2,8 UA du Soleil, Cérès semblait presque parfaitement conforme à la loi de Titius-Bode. Cependant, la découverte ultérieure de Neptune en 1846, qui a révélé huit UA plus proches que ce que prévoyait la loi, a conduit la plupart des astronomes à conclure que la loi de Titius-Bode n'était qu'une coïncidence.
Les premières observations astronomiques ne fournissaient qu'une estimation de l'ordre de grandeur de la taille de Cérès. En 1802, Herschel a sous-estimé son diamètre à 260 km (160 mi), tandis qu'en 1811, l'astronome allemand Johann Hieronymus Schröter l'a considérablement surestimé à 2 613 km (1 624 mi). Dans les années 1970, l'application de la photométrie infrarouge a facilité des mesures d'albédo plus précises, permettant de déterminer le diamètre de Cérès à dix pour cent près de sa valeur réelle de 939 km (583 mi).
Nomenclature et symbolisme
Piazzi a initialement proposé le nom de Ceres Ferdinandea pour sa découverte. Le composant Cérès rendait hommage à la déesse romaine de l'agriculture, dont le temple principal et la demeure terrestre étaient situés en Sicile. L'ajout de Ferdinandea visait à reconnaître le souverain et bienfaiteur de Piazzi, le roi Ferdinand III de Sicile. Cependant, la dernière partie du nom s'est avérée inacceptable pour les autres nations et a ensuite été omise. Avant la réobservation réussie de Cérès par von Zach en décembre 1801, von Zach lui-même désignait le corps céleste comme Héra, tandis que Bode le désignait comme Junon. Ces noms alternatifs ont gagné du terrain en Allemagne, malgré les objections de Piazzi, avant que l'existence de l'objet ne soit définitivement confirmée. Après confirmation, les astronomes ont finalement adopté la désignation originale de Piazzi.
Les dérivations adjectivales de Cérès incluent Cererian et Cererean, tous deux articulés comme . L'élément de terre rare Cérium, identifié en 1803, a ensuite été nommé en l'honneur de Cérès.
Le symbole astronomique historique de Cérès, qui persiste dans les contextes astrologiques, est une faucille, ⟨⚳⟩. Cet emblème, un attribut classique de la déesse Cérès, a été proposé indépendamment par von Zach et Bode en 1802. Son dessin ressemble au symbole planétaire de Vénus, ⟨♀⟩ (un cercle surmonté d'une petite croix), mais présente une discontinuité dans le cercle. Plusieurs variations graphiques mineures existaient, y compris une forme inversée rendue par un « C » (la lettre initiale de Cérès) augmentée d'un signe plus. Le symbole standardisé de l'astéroïde, un disque numéroté tel que ①, a été introduit en 1867 et est rapidement devenu la représentation conventionnelle.
Catégorisation
La classification de Cérès a subi de multiples révisions et a fait l'objet de débats considérables. Bode, par exemple, a présenté Cérès comme la « planète manquante » qui, selon lui, résiderait entre Mars et Jupiter. Par conséquent, Cérès s'est vu attribuer un symbole planétaire et a conservé sa désignation de planète dans les textes et tableaux astronomiques, aux côtés de Pallas, Junon et Vesta, pendant plus de cinquante ans.
Au fur et à mesure que d'autres objets furent identifiés à proximité de Cérès, les astronomes commencèrent à postuler qu'il représentait le premier membre d'une nouvelle classe de corps célestes. Suite à la découverte de Pallas en 1802, Herschel introduisit le terme astéroïde (« ressemblant à une étoile ») pour désigner ces entités, observant qu'« elles ressemblent tellement à de petites étoiles qu'il est difficile de les distinguer d'elles, même par de très bons télescopes ». En 1852, Johann Franz Encke, publiant dans le Berliner Astronomisches Jahrbuch, déclarait que le système traditionnel d'attribution de symboles planétaires était trop lourd pour ces nouveaux objets. Il a ensuite mis en œuvre une nouvelle méthodologie consistant à préfixer leurs noms avec des numéros basés sur leur séquence de découverte. Ce système de numérotation désignait initialement le cinquième astéroïde, 5 Astraea, comme numéro 1. Cependant, en 1867, Cérès fut incorporé dans ce nouveau cadre et officiellement désigné 1 Cérès.
Dans les années 1860, un consensus émergea parmi les astronomes concernant une distinction fondamentale entre les planètes majeures et les astéroïdes comme Cérès, malgré l'absence d'une définition précise du terme « planète ». Au cours des années 1950, la communauté scientifique a largement cessé de classer la plupart des astéroïdes parmi les planètes. Néanmoins, Cérès a parfois conservé son statut planétaire en raison de sa complexité géophysique, qui ressemblait à celle des planètes. Par la suite, en 2006, le discours autour de Pluton a suscité des demandes pour une définition formelle de la « planète », conduisant à une potentielle reclassification de Cérès, voire à sa possible réintégration en tant que planète. Une proposition présentée à l'Union astronomique internationale (AIU), l'autorité mondiale supervisant la nomenclature et la classification astronomiques, définit une planète comme « un corps céleste qui (a) a une masse suffisante pour que son autogravité puisse vaincre les forces du corps rigide, de sorte qu'il prenne une forme d'équilibre hydrostatique (presque ronde), et (b) est en orbite autour d'une étoile et n'est ni une étoile ni un satellite d'une planète ». Si cette résolution avait été adoptée, Cérès aurait été désignée comme la cinquième planète à partir du Soleil. Cependant, le 24 août 2006, l'assemblée intègre un critère supplémentaire : une planète doit avoir « dégagé le voisinage autour de son orbite ». Cérès ne répond pas à cette définition révisée car elle ne domine pas gravitationnellement sa trajectoire orbitale ; il partage cette région avec des milliers d'autres astéroïdes au sein de la ceinture d'astéroïdes, représentant seulement environ quarante pour cent de la masse totale de la ceinture. Les corps célestes qui satisfaisaient à la définition proposée initialement mais pas aux exigences ultérieures, comme Cérès, ont par conséquent été classés comme planètes naines. Malgré cette classification officielle, les géologues planétaires ignorent souvent cette définition et continuent de considérer Cérès comme une planète.
Cérès est officiellement classée à la fois comme planète naine et comme astéroïde. Selon une page Web de la NASA, Vesta, qui est le deuxième plus grand objet de la ceinture d'astéroïdes, a la particularité d'être le plus gros astéroïde. L'AIU a maintenu une position ambiguë sur cette question. Cependant, son Minor Planet Center, l'entité responsable du catalogage de ces corps célestes, reconnaît que les planètes naines peuvent posséder des désignations doubles. De plus, le Gazetteer collaboratif AIU / USGS / NASA classe Cérès à la fois comme astéroïde et comme planète naine.
Orbite
Cérès parcourt une orbite située entre Mars et Jupiter, approximativement dans la région centrale de la ceinture d'astéroïdes, accomplissant une période orbitale toutes les 4,6 années terrestres. En comparaison avec d'autres planètes et planètes naines, le plan orbital de Cérès présente une inclinaison modérée par rapport à celui de la Terre, avec une inclinaison (i) de 10,6°. Cela contraste avec les 7° de Mercure et les 17° de Pluton. De plus, son orbite est légèrement elliptique, possédant une excentricité (e) de 0,08, comparable à l'excentricité de Mars de 0,09.
Cérès n'est affilié à aucune famille d'astéroïdes reconnue, une caractéristique probablement attribuable à sa teneur importante en glace. Des corps célestes plus petits de composition similaire se seraient entièrement sublimés au cours de la durée de vie du système solaire. Auparavant, on supposait que Cérès faisait partie de la famille Gefion, dont les membres présentent des éléments orbitaux propres comparables, indiquant une origine commune issue d'une collision passée d'astéroïdes. Cependant, des enquêtes ultérieures ont révélé que Cérès possède une composition distincte de celle de la famille Gefion. Par conséquent, il est maintenant considéré comme un intrus, présentant des éléments orbitaux similaires mais manquant d'une genèse commune.
Résonances
En raison de leurs masses réduites et de leurs séparations spatiales considérables, les objets situés dans la ceinture d'astéroïdes établissent rarement des résonances gravitationnelles les uns avec les autres. Malgré cela, Cérès possède la capacité de capturer gravitationnellement d’autres astéroïdes dans des résonances transitoires 1:1, les transformant ainsi en chevaux de Troie temporaires. Ces périodes de capture peuvent aller de plusieurs centaines de milliers à plus de deux millions d'années. Cinquante de ces objets chevaux de Troie temporaires ont été identifiés en association avec Ceres. Cérès présente également une proximité avec une résonance orbitale à mouvement moyen de 1: 1 avec Pallas, leurs périodes orbitales propres ne différant que de 0,2 %. Cependant, cette proximité est insuffisante pour produire des effets significatifs sur des échelles de temps astronomiques.
Rotation et inclinaison axiale
Cérès présente une période de rotation, connue sous le nom de jour cérérien, de 9 heures et 4 minutes, avec le petit cratère équatorial Kait désigné comme son méridien principal. Avec une inclinaison axiale de 4°, Cérès possède des régions polaires présentant des cratères ombragés en permanence. Ces cratères devraient fonctionner comme des pièges froids, facilitant l’accumulation à long terme de glace d’eau, un phénomène observé à la fois sur la Lune et sur Mercure. Environ 0,14 % des molécules d'eau émises par la surface devraient se déposer dans ces pièges, effectuant généralement trois sauts avant de s'échapper ou d'être piégées de façon permanente.
Les observations de Dawn, le premier vaisseau spatial en orbite autour de Cérès, ont établi l'orientation de l'axe polaire nord à une ascension droite de 19 heures 25 minutes 40,3 secondes. (291,418°) et une déclinaison de +66° 45' 50" (environ 1,5 degrés de Delta Draconis), confirmant une inclinaison axiale de 4°. Par conséquent, Cérès connaît actuellement des variations saisonnières latitudinales minimes, voire nulles, de l'éclairage solaire. Au cours des trois derniers millions d'années, les forces gravitationnelles exercées par Jupiter et Saturne ont induit des fluctuations cycliques de l'inclinaison axiale de Cérès, variant entre deux et vingt degrés. Cela indique que Des variations saisonnières significatives de l'exposition solaire se sont produites historiquement, la période la plus récente d'une telle activité étant estimée à 14 000 ans. Les cratères qui ont persisté dans l'ombre pendant ces périodes d'inclinaison axiale maximale sont considérés comme les emplacements les plus probables pour retenir la glace d'eau, provenant d'éruptions ou d'impacts cométaires tout au long de l'histoire du système solaire.
Géologie
Cérès représente le plus gros astéroïde de la ceinture principale d'astéroïdes. Il est classé comme astéroïde de type C ou carboné, et également comme astéroïde de type G en raison de la présence de minéraux argileux. Sa composition ressemble, sans toutefois être exacte, à celle des météorites chondrites carbonées. Morphologiquement, c'est un sphéroïde aplati, caractérisé par un diamètre équatorial supérieur de 8 % à son diamètre polaire. Les données acquises par le vaisseau spatial Dawn indiquent un diamètre moyen de 939,4 km (583,7 mi) et une masse de 9,38×1020 kg. Ces mesures donnent une densité de 2,16 g/cm§1314§, ce qui implique qu'environ un quart de sa masse totale est constituée de glace d'eau.
Cérès constitue 40 % de la masse totale estimée de la ceinture d'astéroïdes. (2394±5)×1018 kg, possédant §1011§+§1314§⁄§1516§ fois la masse de Vesta, le plus gros astéroïde suivant. Cependant, sa masse n'est que §1920§⁄78 celle de la Lune, et sa gravité à la surface mesure §2526§⁄35 de la gravité terrestre (§3132§⁄§3334§ de la Lune). En approchant de l'équilibre hydrostatique, Cérès présente certains écarts par rapport à une forme d'équilibre idéale qui restent inexpliqués. Notamment, Cérès est la seule planète naine largement reconnue avec une période orbitale plus courte que celle de Neptune. La modélisation informatique indique que le matériau rocheux de Cérès est partiellement différencié et contient potentiellement un petit noyau ; cependant, les données disponibles concordent également avec une composition comportant un manteau de silicates hydratés et aucun noyau distinct. En raison de l'absence de magnétomètre sur Dawn, la présence d'un champ magnétique sur Cérès reste non confirmée, bien qu'il soit généralement présumé absent. La différenciation interne de Cérès pourrait être liée à son absence de satellite naturel, étant donné que l'on pense principalement que les satellites des astéroïdes de la ceinture principale proviennent d'une perturbation collisionnelle, ce qui se traduit généralement par une structure indifférenciée en tas de décombres.
Surface
Composition
Globalement, la composition de la surface de Cérès est homogène, caractérisée par une abondance de carbonates et de phyllosilicates ammoniacaux, qui montrent des signes d'altération aqueuse. Cependant, la concentration de glace d'eau dans le régolithe présente une variation latitudinale, allant d'environ 10 % dans les régions polaires à des conditions nettement plus sèches, voire sans glace, près de l'équateur.
Les enquêtes menées avec le télescope spatial Hubble ont identifié du graphite, du soufre et du dioxyde de soufre à la surface de Cérès. La présence de graphite est attribuée aux processus d'altération spatiale affectant les surfaces les plus anciennes de Cérès. À l'inverse, le soufre et le dioxyde de soufre sont volatils dans les conditions environnementales cérériennes et se sublimeraient généralement rapidement ou seraient séquestrés dans des pièges froids, indiquant ainsi une association avec une activité géologique relativement récente.
Des composés organiques ont été identifiés dans le cratère Ernutet, et onze régions supplémentaires présentent des caractéristiques compatibles avec leur présence. La surface proche de Cérès est particulièrement riche en carbone, représentant environ 20 % de sa masse. Cette concentration en carbone dépasse largement celle trouvée dans les météorites chondrites carbonées analysées sur Terre, par plus d'un facteur cinq. Les preuves indiquent que le carbone de surface est mélangé à des produits issus des interactions roche-eau, notamment des argiles. Cette composition chimique implique que Cérès est originaire d'un environnement glacial, potentiellement au-delà de l'orbite de Jupiter, et s'est accumulée à partir de matériaux exceptionnellement riches en carbone en présence d'eau, créant ainsi des conditions propices à la chimie organique.
Cratères d'impact
Les observations de Dawn ont montré que Cérès possède une surface fortement cratérisée, bien qu'avec une abondance moindre de grands cratères que prévu. Des modèles prédictifs, dérivés de la dynamique de formation de la ceinture d'astéroïdes contemporaine, avaient estimé que Cérès devrait abriter entre dix et quinze cratères dépassant 400 km (250 mi) de diamètre. La plus grande structure d'impact vérifiée sur Cérès, le bassin de Kerwan, mesure 284 km (176 mi) de diamètre. Cet écart est attribué de manière très plausible à la relaxation visqueuse de la croûte, qui aplatit progressivement les plus grandes caractéristiques d'impact au fil du temps.
La région polaire nord de Cérès présente beaucoup plus de cratères que son homologue équatoriale, la région équatoriale orientale apparaissant particulièrement peu cratérisée. La distribution taille-fréquence observée des cratères allant de vingt à cent kilomètres (10 à 60 mi) correspond à une origine lors du bombardement lourd tardif. Les cratères situés en dehors des anciennes régions polaires ont probablement été oblitérés par les premières activités cryovolcaniques. De plus, trois vastes bassins peu profonds (planitiae) aux bords érodés sont interprétés comme des cratères d’impact hautement dégradés. Vendimia Planitia, la plus grande d'entre elles avec 800 km (500 mi) de diamètre, représente la caractéristique géographique singulière la plus étendue de Cérès. Deux de ces trois bassins présentent des concentrations élevées d'ammonium.
La mission Dawn a identifié 4 423 rochers dépassant 105 m (344 pi) de diamètre à la surface de Cérès. Ces caractéristiques sont présumées provenir d'événements d'impact et sont généralement situées à l'intérieur ou à proximité des cratères, bien que tous les cratères n'hébergent pas de tels rochers. Une plus grande abondance de gros rochers est observée aux latitudes plus élevées. Les rochers cérésiens présentent des caractéristiques fragiles et subissent une dégradation rapide, principalement en raison du stress thermique résultant de fluctuations importantes de la température de surface à l'aube et au crépuscule et des impacts météoritiques. Leur âge maximum estimé est de 150 millions d'années, ce qui est considérablement plus court que la longévité des rochers trouvés sur Vesta.
Caractéristiques tectoniques
Bien que Cérès ne présente pas de tectonique des plaques et que la plupart de ses caractéristiques de surface soient attribuables soit à des événements d'impact, soit à des processus cryovolcaniques, plusieurs structures potentiellement tectoniques ont été provisoirement identifiées, en particulier dans son hémisphère oriental. Les Samhain Catenae, qui sont des fractures linéaires à l'échelle kilométrique sur la surface cérésienne, ne montrent aucune association perceptible avec les impacts. Au lieu de cela, ils ressemblent davantage à des chaînes de cratères de fosses, une morphologie indicative de failles normales sous-jacentes. De plus, certains cratères de Cérès présentent des sols peu profonds et fracturés, ce qui correspond à l'intrusion de cryomagma.
Cryovolcanisme
Cérès abrite une montagne singulière et proéminente, Ahuna Mons, qui est interprétée comme un cryovolcan. Ses rares cratères suggèrent un âge maximum de 240 millions d'années. Le champ gravitationnel relativement fort associé à Ahuna Mons implique une densité élevée, indiquant une composition plus riche en roche que en glace. Sa formation est probablement attribuée à l'ascension diapirique d'une boue comprenant de la saumure et des particules de silicate provenant du manteau supérieur. Cette caractéristique est approximativement antipodale du bassin de Kerwan. On suppose que l'énergie sismique générée par l'impact de formation de Kerwan aurait pu converger vers le côté opposé de Cérès, provoquant une fracturation des couches externes de la croûte et déclenchant l'extrusion de cryomagma à haute viscosité, défini comme de la glace d'eau boueuse plastifiée par sa teneur en sel, sur la surface. Le bassin de Kerwan lui-même présente également des preuves d'effets d'eau liquide, résultant de la fonte de la glace souterraine induite par l'impact.
Une simulation informatique de 2018 indique que les cryovolcans de Cérès, après leur formation, subissent une récession sur plusieurs centaines de millions d'années en raison d'une relaxation visqueuse. Les chercheurs ont identifié 22 éléments de surface comme candidats convaincants pour les cryovolcans ayant subi une relaxation visqueuse sur Cérès. Yamor Mons, un ancien sommet marqué par des cratères d'impact, présente une ressemblance avec Ahuna Mons, malgré son âge considérablement plus élevé. Cette similitude est attribuée à son emplacement dans la région polaire nord de Cérès, où des températures plus froides inhibent la relaxation visqueuse de la croûte. Les modèles suggèrent qu'au cours du dernier milliard d'années, Cérès a connu la formation d'environ un cryovolcan tous les cinquante millions d'années. Ces éruptions pourraient être associées à d’anciens bassins d’impact, mais leur répartition sur Cérès n’est pas uniforme. Le modèle suggère en outre que, contrairement aux observations à Ahuna Mons, les cryovolcans cérériens doivent être constitués d'un matériau nettement moins dense que le matériau crustal moyen de Cérès ; sinon, la relaxation visqueuse observée ne serait pas possible.
Une proportion étonnamment élevée de cratères sur Cérès présente des fosses centrales, résultant potentiellement de processus cryovolcaniques, tandis que d'autres présentent des pics centraux. Des centaines de points lumineux, appelés faculae, ont été observés par Dawn, le plus lumineux étant situé dans le cratère Occator de 80 km (50 mi) de large. Le point lumineux proéminent au centre d'Occator est désigné par Cerealia Facula, et le groupe de points lumineux situé à l'est est nommé Vinalia Faculae. Le cratère Occator contient une fosse mesurant 9 à 10 km de largeur, partiellement occupée par un dôme central. Ce dôme s'est formé postérieurement aux faculae et est probablement attribuable au gel d'un réservoir souterrain, analogue aux pingos trouvés dans les régions arctiques de la Terre. L'apparition périodique d'une brume au-dessus de Cerealia conforte l'hypothèse selon laquelle les points lumineux auraient été formés par un processus de dégazage ou de sublimation de la glace. En mars 2016, Dawn a identifié définitivement de la glace d'eau à la surface de Cérès dans le cratère Oxo.
Le 9 décembre 2015, des scientifiques de la NASA ont signalé que les points lumineux sur Cérès pourraient provenir d'un type de sel dérivé de la saumure évaporée, en particulier le sulfate de magnésium hexahydraté (MgSO4·6H2O) ; ces taches ont également été observées en association avec des argiles riches en ammoniaque. En 2017, les spectres proche infrarouge de ces régions lumineuses concordaient avec la présence de quantités substantielles de carbonate de sodium (Na
§1011§CO
§1920§) et des quantités moindres de chlorure d'ammonium (NH
§3031§Cl) ou bicarbonate d'ammonium (NH
§4142§HCO
§5051§). Il a été proposé que ces matériaux provenaient de la cristallisation de saumures remontant à la surface. En août 2020, la NASA a confirmé que Cérès était un corps céleste riche en eau possédant un profond réservoir de saumure qui s'est infiltré à la surface à de nombreux endroits, créant des « points lumineux », y compris ceux observés dans le cratère Occator.
Structure interne
Les processus géologiques actifs de Cérès sont principalement déterminés par la présence de glace et de saumures. On estime que l'eau extraite de la roche a une salinité d'environ 5 %. Dans l'ensemble, Cérès comprend environ 50 % d'eau en volume (contrairement aux 0,1 % de la Terre) et 73 % de roche en masse.
Les plus grands cratères de Cérès, profonds de plusieurs kilomètres, ne correspondent pas à la présence d'un sous-sol peu profond et riche en glace. La préservation de cratères de près de 300 km (200 mi) de diamètre à sa surface suggère que la couche la plus externe de Cérès est environ 1 000 fois plus robuste que la glace d'eau. Cette observation correspond à une composition composée de silicates, de sels hydratés et de clathrates de méthane, la glace d'eau ne constituant pas plus de 30 % en volume.
Les mesures de gravité obtenues depuis Dawn ont conduit au développement de trois modèles concurrents décrivant la structure interne de Cérès. Selon le modèle à trois couches, Cérès est supposé comprendre une croûte externe de 40 km (25 mi) d'épaisseur, composée de glace, de sels et de minéraux hydratés, et un « manteau » interne de roches hydratées, telles que des argiles. Ces couches sont séparées par une couche de 60 km (37 mi) d'épaisseur constituée d'un mélange boueux de saumure et de roche. Bien qu'il reste indéterminé si l'intérieur profond de Cérès contient du liquide ou un noyau dense et riche en métaux, sa faible densité centrale implique une rétention potentielle d'environ 10 % de porosité. Une étude particulière a estimé les densités du noyau et de la combinaison manteau/croûte à 2,46-2,90 g/cm3 et 1,68-1,95 g/cm3, respectivement, le manteau et la croûte mesurant collectivement 70-190 km (40-120 mi) d'épaisseur. Seule une déshydratation partielle, ou l'expulsion de la glace, est attendue du noyau, bien que la densité élevée du manteau par rapport à la glace d'eau indique son enrichissement en silicates et en sels. Par conséquent, le noyau (s'il est présent), le manteau et la croûte sont tous composés de roche et de glace, quoique dans des proportions variables.
La composition minéralogique de Cérès n'est vérifiable que pour ses 100 km (60 mi) les plus éloignés par des méthodes indirectes. Cette croûte externe solide, d'environ 40 km (25 mi) d'épaisseur, comprend un mélange de glace, de divers sels et de minéraux hydratés. Sous cette croûte se trouve une strate contenant potentiellement une quantité mineure de saumure, qui s'étend jusqu'à une profondeur minimale correspondant à la limite de détection de 100 km (60 mi). Plus en dessous, on suppose qu'il existe un manteau principalement composé de roches hydratées, telles que des argiles.
Un modèle structurel spécifique à deux couches postule que Cérès est composé d'un noyau principalement de chondrules et d'un manteau constitué d'un mélange de glace et de particules solides de taille micrométrique, souvent appelées « boue ». La sublimation de la glace en surface pourrait entraîner la formation d'une couche résiduelle de particules hydratées, pouvant atteindre une épaisseur d'une vingtaine de mètres. Les données observées sont cohérentes avec une gamme d'étendues de différenciation, variant d'un noyau important de 360 km (220 mi) composé de 75% de chondrules et 25% de particules, enveloppé par un manteau de 75% de glace et 25% de particules, à un noyau plus petit de 85 km (55 mi) comprenant presque entièrement des particules, entouré d'un manteau de 30% de glace et 70% de particules. Dans les scénarios comportant un gros noyau, l’interface noyau-manteau devrait posséder suffisamment d’énergie thermique pour entretenir des poches de saumure localisées. À l'inverse, si le noyau est petit, le manteau devrait conserver son état liquide à une profondeur de 110 km (68 mi). Dans cette dernière condition, un simple gel de 2 % de ce réservoir de liquide induirait une compression suffisante pour propulser un peu de fluide à la surface, initiant ainsi une activité cryovolcanique.
Un modèle alternatif à deux couches propose que Cérès ait subi une différenciation partielle, ce qui aurait pour résultat une croûte riche en substances volatiles recouvrant un manteau plus dense composé de silicates hydratés. Les densités potentielles de la croûte et du manteau peuvent être dérivées en considérant les caractéristiques des météorites qui auraient impacté Cérès. En supposant des compositions analogues aux météorites de classe CI (densité de 2,46 g/cm3), la croûte aurait une épaisseur d'environ 70 km (40 mi) avec une densité de 1,68 g/cm3. À l'inverse, si l'on considère les météorites de classe CM (densité 2,9 g/cm§45§), la croûte s'étendrait sur environ 190 km (120 mi) d'épaisseur, possédant une densité de 1,9 g/cm§67§. Les approches de modélisation optimales indiquent une croûte d'environ 40 km (25 mi) d'épaisseur avec une densité approximative de 1,25 g/cm§89§, ainsi qu'une densité manteau/noyau d'environ 2,4 g/cm§1011§.
Exosphère
En 2017, la mission Dawn a définitivement confirmé la présence d'une atmosphère transitoire de vapeur d'eau autour de Cérès. Des indications préliminaires d'une atmosphère sont apparues début 2014, lorsque l'Observatoire spatial Herschel a identifié des sources localisées de vapeur d'eau aux latitudes moyennes sur Cérès, chacune ne mesurant pas plus de 60 km (40 mi) de diamètre et émettant environ 1026 molécules (3 kg) d'eau par seconde. L'Observatoire W. M. Keck a visualisé deux régions sources potentielles, nommées Piazzi (123°E, 21°N) et Région A (231°E, 23°N), comme des zones sombres dans le spectre proche infrarouge, la région A présentant en outre une caractéristique centrale lumineuse. Les mécanismes potentiels contribuant à cette libération de vapeur comprennent la sublimation d'environ 0,6 km§89§ (0,2 milles carrés) de glace de surface exposée, les éruptions cryovolcaniques provoquées par un chauffage interne radiogénique ou la pressurisation d'un océan souterrain causée par l'épaississement d'une couche de glace sus-jacente. David C. Jewitt a officiellement classé Cérès comme astéroïde actif en 2015. Étant donné que la glace d'eau de surface est intrinsèquement instable à des distances héliocentriques inférieures à 5 UA, l'exposition directe au rayonnement solaire devrait induire sa sublimation. Les émissions de protons provenant des éruptions solaires et des éjections de masse coronale (CME) sont capables de projeter des plaques de glace exposées à la surface, établissant ainsi une corrélation positive entre les détections de vapeur d'eau observées et les niveaux d'activité solaire. Même si la glace d'eau peut migrer des couches plus profondes de Cérès vers sa surface, son temps de rétention est bref. Les taux de sublimation de surface devraient diminuer lorsque Cérès se trouve à une plus grande distance orbitale du Soleil, alors que les émissions internes ne devraient pas être influencées par sa position orbitale. Des données limitées antérieures indiquaient un processus de sublimation semblable à celui observé dans les comètes ; cependant, les preuves recueillies par la mission Dawn suggèrent que l'activité géologique pourrait contribuer, au moins partiellement, à ce phénomène.
Des enquêtes utilisant le détecteur de rayons gamma et de neutrons de Dawn (GRaND) indiquent que Cérès accélère les électrons provenant du vent solaire. L’hypothèse dominante postule que ces électrons sont accélérés par les interactions entre le vent solaire et une exosphère de vapeur d’eau ténue. Bien que des champs magnétiques transitoires puissent également expliquer de tels chocs d'arc, cette explication est jugée moins probable en raison de la conductivité électrique présumée insuffisante de l'intérieur de Cérès. La fine exosphère de Cérès est continuellement reconstituée par plusieurs mécanismes : l'exposition de plaques de glace d'eau lors d'impacts, la diffusion de glace d'eau à travers la croûte de glace poreuse et la pulvérisation de protons pendant les périodes d'activité solaire. Le taux de diffusion de cette vapeur est directement proportionnel à la taille des grains et est influencé de manière significative par un manteau de poussière global composé de particules d'agrégat d'environ 1 micron. Le réapprovisionnement exosphérique uniquement par sublimation est minime, le taux de dégazage actuel étant enregistré à seulement 0,003 kg/s. Divers modèles ont été développés pour simuler l'exosphère existante, notamment la trajectoire balistique, la simulation directe Monte Carlo (DSMC) et les modèles numériques de la calotte polaire. Les résultats du modèle de trajectoire balistique ont indiqué une demi-vie de l'exosphère aqueuse de 7 heures, tandis que le modèle DSMC a suggéré un taux de dégazage de 6 kg/s maintenant une atmosphère optiquement mince pendant plusieurs dizaines de jours. Le modèle de la calotte polaire a démontré la formation de calottes polaires saisonnières à partir de l'apport d'eau exosphérique. Le mouvement des molécules d'eau au sein de l'exosphère est principalement régi par des sauts balistiques couplés à des interactions de surface, bien que les interactions directes avec les régolithes planétaires soient moins comprises.
Origine et évolution
Cérès est une protoplanète primordiale qui s'est formée il y a 4,56 milliards d'années, représentant l'un des trois seuls corps de ce type, aux côtés de Pallas et Vesta, qui persistent dans le système solaire interne. D'autres protoplanètes ont fusionné en planètes telluriques, ont été fragmentées par des collisions ou ont été éjectées par Jupiter. Malgré son emplacement actuel, les caractéristiques de composition de Cérès ne correspondent pas à une origine dans la ceinture d'astéroïdes. Au lieu de cela, des preuves suggèrent qu'il s'est formé entre les orbites de Jupiter et de Saturne et a ensuite été dévié vers la ceinture d'astéroïdes lorsque Jupiter a migré vers l'extérieur. La détection de sels d'ammonium dans le cratère Occator confirme en outre une origine externe du système solaire, étant donné la plus grande abondance d'ammoniac dans cette région.
Le développement géologique précoce de Cérès dépendait des sources de chaleur disponibles pendant et immédiatement après sa formation. Ces sources comprenaient l'énergie d'impact provenant de l'accrétion planétésimale et de la désintégration des radionucléides, englobant potentiellement des radionucléides éteints à courte durée de vie tels que l'aluminium-26. Une telle énergie thermique aurait pu être suffisante pour faciliter la différenciation de Cérès en un noyau planétaire rocheux et un manteau glacé, voire un océan d'eau liquide, peu de temps après sa genèse. Cet océan hypothétique aurait probablement laissé une couche de glace sous la surface lors de la congélation. Cependant, l'absence de preuve d'une telle couche, comme l'a observé Dawn, implique que la croûte originale de Cérès a été au moins partiellement perturbée par des impacts ultérieurs, conduisant à un mélange complet de glace avec des sels, des matériaux riches en silicates de l'ancien fond marin et des substances sous-jacentes.
Cérès présente une densité étonnamment faible de grands cratères, ce qui suggère que la relaxation visqueuse et le cryovolcanisme ont effacé des caractéristiques géologiques plus anciennes. De plus, la présence d'argiles et de carbonates nécessite des réactions chimiques se produisant à des températures supérieures à 50 °C, une condition compatible avec l'activité hydrothermale.
Au cours des échelles de temps géologiques, Cérès a connu une réduction considérable de son activité géologique, ce qui a donné lieu à une surface principalement façonnée par des cratères d'impact. Néanmoins, les données acquises par Dawn indiquent que les processus internes ont continué à sculpter de manière significative la surface de Cérès, une découverte qui contredit les prédictions antérieures suggérant que la petite taille de Cérès aurait conduit à un arrêt précoce de l'activité géologique interne.
Habitabilité
Bien que Cérès reçoive moins d'attention en tant qu'hôte potentiel de vie extraterrestre microbienne que Mars, Europe, Encelade ou Titan, elle possède le plus grand réservoir d'eau parmi les corps internes du système solaire, à l'exclusion de la Terre. De plus, son sous-sol contient probablement des poches de saumure qui pourraient abriter la vie. Contrairement à Europe ou Encelade, Cérès ne subit pas de réchauffement de marée ; cependant, sa proximité avec le Soleil et la présence d'isotopes radioactifs à vie longue suffisants permettent la conservation de l'eau liquide souterraine pendant des durées prolongées. L'identification à distance de composés organiques et l'observation d'eau mélangée à 20 % de carbone en masse près de sa surface suggèrent des conditions propices à la chimie organique. Concernant les éléments biochimiques, Cérès présente une abondance de carbone, d'hydrogène, d'oxygène et d'azote. Cependant, le phosphore n'est toujours pas détecté et le soufre, bien qu'indiqué par les observations UV de Hubble, n'a pas été confirmé par Dawn.
Observation et exploration
Observation
Lors d'une opposition près de son périhélie, Cérès peut atteindre une magnitude apparente de +6,7. Bien qu'il soit généralement trop faible pour l'œil nu moyen, il peut être perceptible dans des conditions d'observation optimales par des personnes ayant une vision aiguë. Vesta est le seul autre astéroïde capable d’atteindre systématiquement une luminosité comparable ; Pallas et 7 Iris n'atteignent de telles magnitudes que lorsqu'ils sont simultanément en opposition et proches du périhélie. Pendant la conjonction, Cérès présente une magnitude d'environ +9,3, ce qui correspond aux objets les plus sombres détectables avec des jumelles 10×50. Par conséquent, elle est observable avec de tels instruments dans un ciel nocturne naturellement sombre et clair pendant la phase de nouvelle lune.
Le 13 novembre 1984, une occultation de l'étoile BD+8°471 par Cérès a été observée au Mexique, en Floride et dans les Caraïbes, facilitant des mesures plus précises de sa taille, de sa forme et de son albédo. Par la suite, le 25 juin 1995, le télescope spatial Hubble a capturé des images ultraviolettes de Cérès, atteignant une résolution de 50 km (30 mi). En 2002, l'observatoire W. M. Keck a acquis des images infrarouges avec une résolution de 30 km (20 mi) grâce à l'application de l'optique adaptative.
Avant la mission Dawn, l'identification définitive des caractéristiques de la surface de Cérès était limitée. Des images ultraviolettes à haute résolution prises par Hubble en 1995 ont révélé une tache sombre sur sa surface, officieusement nommée « Piazzi » en hommage au découvreur de Cérès, qui était initialement supposée être un cratère. Des images en lumière visible capturant une rotation complète, acquises par Hubble en 2003 et 2004, ont montré onze caractéristiques de surface discernables dont les caractéristiques sont restées non classifiées. L'une de ces caractéristiques était en corrélation avec la région de Piazzi précédemment identifiée. Des images dans le proche infrarouge, obtenues lors d'une rotation complète à l'aide de l'optique adaptative à l'observatoire Keck en 2012, représentaient des éléments clairs et sombres qui tournaient de manière synchrone avec Cérès. Parmi ceux-ci, deux formations circulaires sombres étaient présumées être des cratères ; l'un présentait une région centrale lumineuse, tandis que l'autre était identifié comme étant l'élément Piazzi. En fin de compte, la mission Dawn a déterminé que Piazzi était une zone sombre située dans Vendimia Planitia, près du cratère Dantu, et que l'autre élément sombre était situé dans Hanami Planitia, adjacent au cratère Occator.
La Mission de l'Aube
Au début des années 1990, la NASA a créé le programme Discovery, conçu comme une série de missions scientifiques rentables. En 1996, l'équipe d'étude du programme a proposé une mission hautement prioritaire visant à étudier la ceinture d'astéroïdes à l'aide d'un vaisseau spatial propulsé par des ions. Malgré des problèmes de financement qui ont persisté pendant près d'une décennie, le vaisseau spatial Dawn a achevé avec succès son examen critique de conception en 2004.
La mission Dawn, remarquable en tant que sonde spatiale inaugurale du Le 3 mai 2011, Dawn a capturé son image de ciblage initiale à une distance de 1 200 000 km (750 000 mi) de Vesta. Après une période orbitale de treize mois autour de Vesta, Dawn a utilisé son propulseur ionique pour se diriger vers Cérès, réalisant la capture gravitationnelle le 6 mars 2015, à une séparation de 61 000 km (38 000 mi). Cet événement a précédé de quatre mois le survol Nouveaux Horizons de Pluton.
La charge utile scientifique du vaisseau spatial comprenait une caméra cadre, un spectromètre visuel et infrarouge, ainsi qu'un détecteur de rayons gamma et de neutrons. Ces instruments ont été utilisés pour analyser la morphologie et la composition élémentaire de Cérès. Lorsque Dawn s'est approchée de Cérès le 13 janvier 2015, elle a capturé ses premières images à une résolution comparable à celle de Hubble, qui a dévoilé des cratères d'impact et une petite caractéristique à albédo élevé à la surface. Des séances d'imagerie ultérieures, améliorant progressivement la résolution, ont été réalisées de février à avril.
Le profil de mission de Dawn' impliquait l'étude systématique de Cérès à partir d'une séquence d'orbites polaires circulaires de plus en plus basses altitudes. Le 23 avril 2015, le vaisseau spatial a lancé sa première orbite d'observation (« RC3 ») autour de Cérès à une altitude de 13 500 km (8 400 mi), la maintenant pendant une seule orbite s'étalant sur 15 jours. Par la suite, le vaisseau spatial a réduit sa distance orbitale à 4 400 km (2 700 mi) pour une phase « d'enquête » de trois semaines, suivie d'une nouvelle descente à 1 470 km (910 mi) pour le « HAMO » (orbite de cartographie à haute altitude) de deux mois. Son orbite opérationnelle finale, la « LAMO » (low altitude mapping orbit), a été établie à 375 km (233 mi) pour une durée minimale de trois mois. En octobre 2015, la NASA a diffusé une représentation en vraies couleurs de Cérès, générée par Dawn. La mission de Dawn' a reçu une extension en 2017, permettant une série de passages orbitaux plus rapprochés autour de Cérès jusqu'à l'épuisement de son propulseur hydrazine, essentiel au maintien de l'orbite.
Les premières observations de Dawn ont révélé des preuves convaincantes indiquant une activité cryovolcanique. Une image capturée le 19 février 2015 montrait deux points lumineux distincts, caractérisés par un albédo élevé, à l'intérieur d'un cratère (ceux-ci différaient des caractéristiques lumineuses précédemment observées dans les images de Hubble), suscitant des hypothèses concernant une origine potentielle cryovolcanique ou des phénomènes de dégazage. Le 2 septembre 2016, des scientifiques affiliés à l'équipe Dawn ont publié un argument dans un article Science, affirmant qu'Ahuna Mons constituait la preuve la plus solide à ce jour des caractéristiques cryovolcaniques de Cérès. Une image à plus haute résolution publiée par la NASA le 11 mai 2015 a démontré par la suite que ces taches comprenaient plusieurs éléments plus petits. Le 9 décembre 2015, les scientifiques de la NASA ont signalé que les points lumineux sur Cérès pourraient être associés à un type spécifique de sel, en particulier une saumure contenant du sulfate de magnésium hexahydraté (MgSO§67§·6H§89§O) ; il a également été constaté que ces taches étaient en corrélation avec des argiles riches en ammoniac. En juin 2016, les spectres proche infrarouge obtenus à partir de ces régions lumineuses ont été déterminés comme étant cohérents avec une présence substantielle de carbonate de sodium (Na
§1617§CO
§2526§), suggérant que des processus géologiques récents ont probablement contribué à leur formation.
De juin à octobre 2018, Dawn a maintenu une orbite autour de Cérès, allant d'un périgée de 35 km (22 mi) à un apogée de 4 000 km (2 500 mi). La mission Dawn s'est terminée le 1er novembre 2018, suite à l'épuisement du propulseur du vaisseau spatial.
Missions futures
En 2020, une équipe de l'Agence spatiale européenne (ESA) a proposé le concept de la mission Calathus, une tentative ultérieure ciblant le cratère Occator pour récupérer des échantillons de facules carbonatées brillantes et de matières organiques sombres pour les retourner sur Terre. Parallèlement, l'Administration spatiale nationale chinoise développe une mission de retour d'échantillons vers Cérès, dont l'exécution est prévue dans les années 2020.
Un recueil d'astéroïdes exceptionnels
- Liste des astéroïdes exceptionnels
- Catégorisation des objets du système solaire par taille
- Un registre des anciens corps planétaires
Remarques
Références
- Ceres Trek – Un navigateur de cartes intégré d'ensembles de données et de cartes pour 1 Ceres
- Destination Cérès :Petit-déjeuner à l'aube – NASA
- Simulation de l'orbite de Cérès
- Comment Gauss a déterminé l'orbite de Cérès Archivé le 14 avril 2008 sur la Wayback Machine sur keplersdiscovery.com
- Vidéo (3:34) : Cérès "Bright Spots" – Mystère résolu (10 août 2020) sur YouTube
- Cérès (planète naine) sur AstDyS-2, astéroïdes – site dynamique
- Éphémérides · Prédiction d'observation · Informations orbitales · Éléments propres · Informations d'observation
- Cérès dans la Base de données des petits corps du JPL