Les principaux satellites naturels du système solaire, à l'échelle par rapport à la Terre.

Un satellite naturel est un objet qui est en orbite autour d'une planète ou d'un autre objet plus grand que lui-même et qui n'est pas d'origine humaine, par opposition aux satellites artificiels. Ils peuvent être de grosse taille et ressembler à de petites planètes. De tels objets sont également appelés lunes, par analogie avec la Lune, le satellite naturel de laTerre.

Techniquement, le terme pourrait s'appliquer à une planète orbitant une étoile, ou même une étoile orbitant un centre galactique, mais une telle utilisation est rare. En temps normal, il désigne les satellites naturels des planètes, planètes naines et petits corps.

On suppose que les satellites naturels orbitant relativement proches d'une planète sur une orbite prograde se sont formés dans la même région du disque protoplanétaire à l'origine de cette planète. Par opposition, les satellites irréguliers (orbitant généralement sur des orbites distantes, inclinées, excentriques ou rétrogrades) seraient des objets étrangers capturés et éventuellement fragmentés lors de collisions.

La naissance d’un satellite

Il y a trois causes permettant la création d'un satellite : l'accrétion, la capture et la collision.

Accrétion

Lors de la formation d’une planète, on retrouve des morceaux de roches, des poussières de glace et des gaz tourbillonnants en forme de disque autour. Les bouts de roches s’agglutinent pour former un grumeau, qui sous les chocs d’autres fragments rocheux crée une sphère de roche qui grossit et absorbe les éventuels grumeaux voisins. Elle finit par dominer le disque et reste seule en orbite, donnant naissance à un satellite.

Capture

Cas le plus rencontré: il faut que deux astéroïdes (rarement un seul), gravitant l’un près de l’autre s'approchent suffisamment d'une planète pour que son champ gravitationnel ne soit pasnégligeable. Dès lors, l'astéroïde le plus proche ou le plus lourd¹ de la planète se retrouve happé dans le champ gravitationnel de cette dernière. Sa trajectoire est alors modifiée par la force de l’attraction de l’astre qui s'ajoute aux autres forces exercées sur celui-ci (inertie, attraction de l'autre astéroïde, etc.). Si l’attirance de l’astre est la plus forte, la liaison entre les deux astéroïdes cède, le jumeau reçoit ainsi une impulsion d’énergie et file dans l’espace tandis que l’autre astéroïde commence son premier tour d’orbite ainsi que sa vie de satellite.

Collision

Dernier cas, qui est aussi le plus rare: il se produit lorsque qu’un astéroïde de taille monstrueuse heurte une planète. Lors de ce choc titanesque, un panache de matière jailli de l’impact, contenant roche et même des fragments du noyau de la planète. Cette matière va s’agglomérer, formant un nouveau corps. Mais ce dernier trop lourd à cause de la masse métallique extrait du noyau de la planète, chute à nouveau et va percuter une seconde fois la planète. Cette fois, la partie arrachée du noyau se fond quasi-totalement avec celui de la planète. Le panache ainsi formé sera donc exempt de particule métallique, plus lourde. Ce dernier va tout de même se scinder en deux, une partie retournera à l’astre, l’autre commencera une orbite. Cette matière va s’agglomérer de façon à créer un nouveau satellite. Toute cette séquence peut prendre seulement vingt-quatre heures.

Il existe des exceptions ou des variations à ce modèle standard de formation. En particulier, les couples Terre-Lune² et peut-être Pluton-Charon³ tireraient leur origine de la collision de deux grands objets proto-planétaires. La matière éjectée en orbite autour du corps central aurait alors formé un ou plusieurs objets par accrétion. On pense par ailleurs que les satellites d'astéroïdes se forment principalement par ce processus.

Définition

Le terme de « satellite » ne possède pas de définition scientifique précise. En particulier, l'existence de couples Pluton-Charon et Terre-Lune, où le rapport des masses entre le corps central et son satellite n'est pas aussi prononcé que dans la plupart des autres systèmes, rend difficile la détermination d'une limite séparant un système satellitaire d'une planète double. Une définition commune suppose qu'un système satellitaire doit posséder un barycentre situé sous la surface du corps le plus large, mais elle n'est pas officielle et reste arbitraire.

À l'autre bout de l'échelle, les systèmes annulaires autour des géantes gazeuses du système solaire sont composés de petits morceaux de glace et de roche et il n'existe aucune limite définissant une taille à partir de laquelle un tel morceau est suffisamment grand pour être considéré comme un satellite à part entière.

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  Comparaison de la Terre et de la Lune.

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  Comparaison de Jupiter et de ses quatre principaux satellites.

Terminologie

Le premier satellite naturel connu était la Lune. Jusqu'à la découverte des satellites galiléens en 1610, aucune occasion ne s'était donc présentée pour caractériser de tels objets. Galiléechoisit pour sa part le terme latin planetæ (« planètes ») pour les désigner. C'est Képler qui les nommera « satellites » en 1611, du latin satelles signifiant « gardien » ou « compagnon », le satellite semblant accompagner la planète dans ses déplacements.

Christian Huygens, le découvreur de Titan, fut le premier à utiliser le terme « lune » pour ce type d'objet, appelant Titan Luna Saturni ou Luna Saturnia (« la lune de Saturne » ou « la lune saturnienne »).

Au fil des découvertes, le terme fut abandonné ; Jean-Dominique Cassini utilisait parfois le terme de « planètes » pour ses découvertes, mais plus souvent celui de « satellites ».

Le terme de « satellite » devint la norme pour décrire un objet en orbite autour d'une planète, permettant d'éviter l'ambiguïté de « lune ». Cependant, en 1957, le lancement de Spoutnik 1, le premier objet artificiel en orbite autour de la Terre, rendit nécessaire la distinction entre les satellites artificiels et les satellites naturels. Le terme simple de « satellite » tendit à désigner principalement les objets artificiels et le terme « lune » fut à nouveau souvent employé ; mais, par exemple, on appelle toujours « satellite » les nouveaux corps détectés autour des planètes géantes du système solaire (leur désignation provisoire est « S » suivi d'un numéro) ou des astéroïdes.

Satellites naturels du système solaire

Généralités

Actuellement (avril 2007), on connaît environ 240 satellites naturels dans le système solaire. 166 satellites orbitent autour des planètes du système solaire : Jupiter en compte 63,Saturne 60, Uranus 27, Neptune 13, Mars 2 et la Terre 1.
On connaît 6 lunes orbitant autour de planètes naines. Des dizaines d'autres ont été découvertes autour d'astéroïdes et autres petits corps. Certaines études estiment que 15 % desobjets transneptuniens possèdent au moins un satellite.

Les plus grandes lunes du système solaire (d'un diamètre supérieur à 3 000 km) sont la Lune de la Terre, les lunes galiléennes de Jupiter (Io, Europe, Ganymède et Callisto), Titan, la lune de Saturne, et Triton, la lune de Neptune. Toutes ces lunes sont plus grandes que Pluton. Ganymède et Titan sont plus grandes que Mercure, la plus petite des planètes du système solaire.

Les géantes gazeuses possèdent des systèmes entiers de satellites naturels, dont une moitié ont une taille comparable à la Lune. Parmi les planètes internes, Mercure et Vénus n'ont aucun satellite, la Terre en possède un unique de grande taille (la Lune) et Mars deux lunes minuscules (Phobos et Déimos). Parmi les planètes naines, Cérès n'en possède pas (au contraire de nombreux autres objets de la ceinture d'astéroïdes) ; Éris en possède un ; Haumea deux ; Pluton quatre (Nix, Hydra, Charon et S/2011 (134340) 1) ; (90482) Orcus un ; et(50000) Quaoar un.

Rotation synchrone

La plupart des satellites naturels proches sont en rotation synchrone avec le corps autour duquel il tourne, ce qui signifie qu'ils tournent sur eux-mêmes en autant de temps qu'ils effectuent une révolution complète autour de la planète, et présentent ainsi toujours la même face vers la planète (c'est la cas par exemple de la Lune). Parmi les exceptions, Hypérion, une lune de Saturne, tourne de façon chaotique à cause de plusieurs influences extérieures.

En revanche, les satellites extérieurs des géantes gazeuses en sont trop éloignés pour être en rotation synchrone. Par exemple, Himalia (lune de Jupiter), Phœbé (lune de Saturne) etNéréide (lune de Neptune) ont une période de rotation de 10 h et une période orbitale de centaines de jours.

Satellites de satellites

On ne connaît aucun satellite naturel d'un autre satellite naturel. On ne sait pas si de tels objets sont stables à long terme. Dans la plupart des cas, les effets de marée causés par la primaire rendraient un tel système instable. En théorie, un satellite secondaire pourrait exister à l'intérieur de la sphère de Hill d'un satellite primaire, mais aucun objet de ce type n'a encore été détecté. Des recherches ont été effectuées pour trouver un satellite de la Lune, sans succès⁴.

Mais même si aucun satellite naturel n'a été découvert autour d'un autre satellite des objets suivant une trajectoire de quasi-satellite peuvent orbiter temporairement autour d'un satellite. C'est ce qu'a réalisé l'Union soviétique avec leur sonde Phobos 2 en 1989 autour du satellite martien du même nom⁵.

Les satellites co-orbitaux

Deux lunes possèdent des petits compagnons à leur point de Lagrange L₄ et L₅, appelés lunes co-orbitales par analogie avec les astéroïdes troyens de Jupiter :

• Télesto précède Téthys, tandis que Calypso le suit.
• Hélène précède Dioné et Pollux le suit ;

Satellites d'astéroïdes

Une lune astéroïdale est un astéroïde en orbite autour d'un autre astéroïde. On considère généralement qu'ils sont formés des débris résultant d'un impact impliquant l'astéroïde primaire. D'autres systèmes pourraient avoir été formés par de petits objets capturés par la gravité d'un corps plus grand. Au début des années 1990, la découverte de la petite lune Dactyl orbitant autour de (243) Ida a confirmé que les astéroïdes peuvent également posséder des satellites naturels. Certains corps, comme (90) Antiope, sont des astéroïdes doubles formés de deux composants de taille similaire. (87) Sylvia possède même deux satellites, Romulus et Rémus. Des lunes astéroïdales sont de plus en plus courantes, on commence à découvrir des systèmes triples⁶.

Liste

La table suivante regroupe les lunes du système solaire selon leur diamètre moyen et le corps autour duquel elles orbitent. La colonne de droite inclut certains autres objets notables (planètes, planètes naines, astéroïdes, transneptuniens) à titre de comparaison.