Objets en résonance avec Neptune

De nombreux objets ont des orbites en résonance avec celle de la planète Neptune (résonance de moyen mouvement). De façon plus explicite, la période de révolution de ces corps est dans un rapport simple avec celle de Neptune : 1:1, 1:2, 2:3, 3:5, etc.

En dehors des troyens de Neptune (objets en résonance 1:1), les autres objets sont tous des objets transneptuniens (OTN). Les OTN en résonance avec Neptune font partie de la population principale de la ceinture de Kuiper ou des objets épars plus lointains^[1].

Le schéma illustre la distribution des objets transneptuniens connus (jusqu'à 70 UA) en relation avec les orbites des planètes ainsi que des centaures pour référence. Les objets en résonance sont représentés en rouge. Les résonances avec Neptune sont indiquées par des traits verticaux; 1:1 marque la position de l'orbite de Neptune (et des troyens), 2:3 l'orbite de Pluton et des plutinos, 1:2, 2:5, etc. indique de petites familles.

Certains auteurs s'en tiennent à la désignation 2:3 alors que d'autres préfèrent 3:2. Cela pourrait porter à confusion. La déclaration « Pluton est en résonance 2:3 avec Neptune » ne peut donc qu'être interprétée comme « Pluton parcourt deux orbites dans le même temps que Neptune en parcourt trois ». À l'inverse, dire que « Pluton est en résonance 3:2 avec Neptune » doit alors être compris comme « la période de révolution de Pluton est 3:2 (1,5) fois celle de Neptune ».

Des études analytiques et numériques détaillées des résonances avec Neptune ont montré que les marges sont assez étroites (c'est-à-dire que les objets doivent avoir précisément une certaine valeur énergétique^[2])^[3]. Si le demi-grand axe de ces objets est en dehors de ces fourchettes, l'orbite devient chaotique et les éléments orbitaux deviennent instables.

Plus de 10 % des OTN ont une résonance 2:3, ce qui est loin d'être aléatoire. On croit maintenant que les objets ont été recueillis sur des distances plus grandes pendant la migration de Neptune.

Bien avant la découverte des premiers OTN, il était suggéré que l'interaction entre les planètes géantes et un disque de petites particules serait, par transfert du moment, les ferait migrer vers l'intérieur tandis que Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune en particulier migreraient vers l'extérieur. Au cours de cette période relativement courte, Neptune aurait piégé des objets sur des orbites en résonance.

Les groupes de résonance sont ici listés^[4] par ordre de distance croissante au Soleil. Dans les titres, a désigne le demi-grand axe et P la période orbitale. Pour rappel : 1 ua (unité astronomique) = 149 597 870 700 m ~ 149,6 millions de kilomètres ~ 8,3 minutes-lumière.

Objets en résonance 2:3 : les plutinos (a ~ 39,4 ua ; P ~ 247 ans)

Cette résonance à 39,4 UA est la population la plus dominante de toutes les résonances. En 2025, 577 sont dénombrés. Grands, plutinos numerotés comprennent^[7]:

• (134340) Pluton
• (90482) Orcus
• (208996) 2003 AZ₈₄
• (28978) Ixion
• (455502) 2003 UZ₄₁₃
• (678191) 2017 OF₆₉
• (612533) 2002 XV₉₃
• (470308) 2007 JH₄₃
• (84922) 2003 VS₂
• (556068) 2014 JR₈₀
• (578993) 2014 JP₈₀
• (38628) Huya
• (469372) 2001 QF₂₉₈
• (444745) 2007 JF₄₃
• (15789) 1993 SC
• (33340) 1998 VG₄₄
• (144897) 2004 UX₁₀
• (532092) 2013 HU₁₅₆
• (523768) 2014 WQ₅₁₀
• (523760) 2014 WQ₅₀₉
• (575713) 2011 UT₄₁₀
• (469421) 2001 XD₂₅₅
• (620075) 2013 CD₂₂₃
• (523655) 2011 VJ₂₄
• (533209) 2014 DR₁₄₃
• (690822) 2014 MH₇₀
• (686150) 2010 RK₁₉₀
• (671593) 2014 NT₈₆
• (168703) 2000 GP₁₈₃
• (120216) 2004 EW₉₅
• (612581) 2003 QX₁₁₁
• (728216) 2010 LB₁₃₆
• (523715) 2014 KU₁₀₁
• (47171) Lempo
• (531077) 2012 DB₉₉
• (523644) 2010 VX₁₁
• (525258) 2004 VT₇₅
• (524216) 2001 RU₁₄₃
• (556067) 2014 JK₈₀
• (450265) 2003 WU₁₇₂
• (524460) 2002 GF₃₂
• (666185) 2009 YT₂₆
• (55638) 2002 VE₉₅
• (504555) 2008 SO₂₆₆
• (307463) 2002 VU₁₃₀
• (523717) 2014 KY₁₀₁
• (508823) 2001 RX₁₄₃
• (535029) 2014 WG₅₁₀
• (523697) 2014 GY₅₃
• (535231) 2014 YJ₅₀
• (612574) 2003 QB₉₁
• (385445) 2003 QH₉₁

Les résonances faibles (c'est-à-dire d'ordre élevé) peuvent exister et sont difficiles à prouver en raison de l'absence actuelle de précision dans les orbites de ces objets éloignés. De nombreux objets ont des périodes orbitales de plus de 300 ans et n'ont été observés que sur un arc d'observation court ; en raison de leur grande distance et du mouvement lent par rapport aux étoiles d'arrière-plan, il faudra peut-être plusieurs décennies pour que la plupart de ces orbites lointaines soient déterminées assez précisément pour confirmer la résonance ou établir qu'il s'agit d'une coïncidence.

Des simulations de Emel'yanenko et de Kiseleva en 2007 montrent que (131696) 2001 XT₂₅₄ est en résonance 7:3 avec Neptune. Cette situation pourrait être stable de 100 millions à plusieurs milliards d'années^[8].

Emel’yanenko et Kiseleva ont aussi montré que (48639) 1995 TL₈ a moins de 1 % de probabilité d'être en résonance 7:3 avec Neptune, mais son orbite est pourtant proche d'une résonance.

On appelle ordre d'une résonance la différence entre les deux nombres composant le rapport irréductible de la résonance. Ainsi, les résonances 1:2 et 2:3 sont d'ordre 1, la résonance 3:5 est d'ordre 2 et la résonance 5:12 est d'ordre 7. Plus l'ordre d'une résonance est forte, moins Neptune a une influence importante sur les objets situés sur cette résonance. C'est ainsi qu'on assiste à la contradiction suivante, certains objets détachés pourraient avoir une résonance faible avec Neptune, de même pour certains cubewanos tels que (79360) Sila. Ultérieurement des observations plus nombreuses pourraient préciser s'il s'agit de résonance ponctuelles ou non.

Les définitions précises des classes d'OTN ne sont pas universellement acceptées, les limites sont souvent floues et la notion de résonance n'est pas précisément définie. Le Deep Ecliptic Survey introduit des classes dynamiques définies sur la base de l'intégration à long terme des orbites façonnées par les perturbations combinées des quatre planètes géantes.

En général, la résonance est de la forme:

${\displaystyle p\cdot \lambda -q\cdot \lambda _{\rm {N}}}$

où p et q sont de petits entiers, λ et λ_N sont respectivement les longitudes moyennes de l'objet et de Neptune, mais peuvent aussi représenter la longitude du périhélie et les longitudes des nœuds (voir Résonance orbitale pour des exemples élémentaires)

Un objet est résonant si pour certains petits entiers (notés ci-après p, q, n, m, r et s) , l'argument (angle) défini ci-dessous est en libration'(c'est-à-dire lié^{[pas clair][9]})

${\displaystyle \phi =p\cdot \lambda -q\cdot \lambda _{\rm {N}}-m\cdot \varpi -n\cdot {\it {{\Omega }-r\cdot \varpi _{\rm {N}}-s\cdot \Omega _{\rm {N}}}}}$

où ${\displaystyle \varpi }$ sont les longitudes de périhélie et ${\displaystyle {\it {\Omega }}}$ sont les longitudes des nœuds ascendants, pour Neptune (avec les indices "N") et l'objet en résonance (pas d'indices).

Le terme libration désigne ici l'oscillation périodique de l'angle autour de certaines valeurs ; il est opposé au terme circulation où l'angle peut prendre toutes les valeurs de 0 à 360 degrés. Par exemple, dans le cas de Pluton, l'angle de résonance ${\displaystyle \phi }$ est d'environ 180 degrés avec une amplitude de l'ordre de 82 degrés, c'est-à-dire que l'angle varie périodiquement de 98 (180-82) à 262 (180+82) degrés.

Tous les plutinos découverts avec la Deep Ecliptic Survey se sont révélés être du type

${\displaystyle \phi =3\cdot \lambda -2\cdot \lambda _{\rm {N}}-\varpi }$

ce qui est similaire à la résonance moyenne de Pluton.

Plus généralement, cette résonance 2:3 est un exemple de résonances p:(p+1) (exemple 1:2, 2:3, 3:4, etc.) qui se sont révélées être des orbites stables. Leur angle de résonance est :

${\displaystyle \phi =p\cdot \lambda -q\cdot \lambda _{\rm {N}}-(p-q)\cdot \varpi }$

Dans ce cas, on peut comprendre l'importance de l'angle de résonance ${\displaystyle \phi \,}$ en notant que, lorsque l'objet est au périhélie, c'est-à-dire quand ${\displaystyle \lambda =\varpi }$, on a alors :

${\displaystyle \phi =q\cdot (\varpi -\lambda _{\rm {N}})}$.

Autrement dit, ${\displaystyle \phi \,}$ donne une mesure de la distance entre le périhélie de l'objet à Neptune. L'objet est protégé de la perturbation en gardant son périhélie loin de Neptune à condition que ${\displaystyle \phi \,}$, ait une libration d'un angle très différent de 0°

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