Rotation à long terme des planètes : application au basculement d'Uranus

Long term rotation of planets, application to Uranus tilting

• Auteur / Autrice : Gwenaël Boué
• Direction : Jacques Laskar
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et astrophysique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Observatoire de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine1992-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jacques Laskar, Alessandra Celletti, Scott Tremaine, Alexandre Carlos Morgado Correia, Anne Lemaître, Alessandro Morbidelli, Bruno Sicardy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alessandra Celletti, Scott Tremaine

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dynamique des corps rigides

Uranus (planète)

Nutation

Précession

Résumé

L'origine de la forte inclinaison de l'axe d'Uranus est l'un des problèmes majeurs concernant le système solaire. Le but de cette thèse est d'étudier les mécanismes possibles de basculement sans collision de l'axe d'Uranus. Pour commencer, nous retraçons l'histoire du système solaire afin d'en extraire les moments où le basculement a pu se produire. Ensuite, nous évaluons la vitesse limite supérieure à laquelle Uranus peut pivoter tout en conservant ses satellites dans plan équatorial, puis nous évaluons les évolutions possibles de l'axe d'Uranus à deux époques distinctes de l'histoire du système solaire. Le première se réfère au moment où les planètes évoluent dans un disque de planétésimaux, et la seconde se rapporte à la migration tardive. Dans un deuxième cas, Uranus est effectivement susceptible de basculer sans l'aide d'une collision géante. Cette étude s'appuie sur des résultats généraux liés à l'évolution des corps rigides. Le premier concerne l'effet d'un satellite sur le mouvement de précession de sa planète. Auparavant, seuls deux cas asymptomatiques étaient résolus. Maintenant, l'effet se calcule pour toute distance du satellite. De plus, l'approche très générale qui a été utilisée fournit aussi une solution au mouvement de rotation de deux corps rigides en interaction gravitationnelle tels que les astéroïdes binaires. Enfin, certains outils développés pour l'étude d'Uranus ont été appliqués au cas de Saturne. Cela a apporté de nouvelles contraintes sur la migration tardive. En particulier, la vitesse de migration de Neptune devait être suffisamment lente pour que l'axe de Saturne puisse atteindre son inclinaison actuelle.

Uranus is a special planet because of the large inclination of its spin-axis. The origin of this property is one of the great unanswered questions about the Solar system. The aim of the thesis is to find a collisionless scenario for the tilt of Uranus. In this work, we review the history of the Solar system since its birth in order to see when the tilt could have occured. Then, we evaluate the maximal rate at which Uranus could tilt such that the satellites remain in the equatorial plane. Two different periods in the history of the Solar system appear to be good candidates for the tilt. The first one corresponds to the period when the planets were evolving in a planetesimal disk, and the second one is related to the late migration. In the second case, Uranus can actually tilt without any giant collision. This study is based on general results on the evolution of rigid bodies. The first relates to the lunar problem whose goal is to know the effect of a satellite on the precession motion of its planet. Previously, only two asymptotic cases were solved. From averaging techniques and using a vectorial approach, the effect can be evaluated regardless of the distance of the satellite. Moreover, such a general approach provides a solution that is not unique to the lunar problem. It applies also directly to the study of the rotation of two rigid bodies in gravitational interaction such as binary asteroids. Finally, some tools developed for Uranus have been applied to Saturn case. This has brought new constraints on the late migration. In particular, the migration speed of Neptune should have been slow enough so that Saturn's axis could reach its current inclination.