Théories séculaires et dynamique orbitale au-delà de Neptune

La structure dynamique de la région transneptunienne est encore loin d'être entièrement comprise, surtout concernant les objets ayant un périhélie très éloigné. Dans cette région, les perturbations orbitales sont très faibles, autant de l'intérieur (les planètes) que de l'extérieur (les étoiles de passage et les marées galactiques). Pourtant, de nombreux objets ont des orbites très excentriques, ce qui indique qu'ils ne se sont pas formés tels qu'on les observe actuellement. De plus, certaines accumulations dans la distribution de leurs éléments orbitaux ont attiré l'attention de la communauté scientifique, conduisant à de nombreuses conjectures sur l'origine et l'évolution du Système Solaire externe.Avant d'envisager des théories plus "exotiques", une analyse exhaustive doit être menée sur les différents mécanismes qui peuvent reproduire les trajectoires observées à partir de ce qui est jugé "certain" dans la dynamique du Système Solaire, à savoir les perturbations par les planètes connues et par les marées galactiques. Cependant, nous ne pouvons pas nous fier uniquement aux simulations numériques pour explorer efficacement l'espace des comportements possibles. Dans ce contexte, notre objectif est de dégager une vision globale de la dynamique entre Neptune et le nuage de Oort, y compris les orbites les plus extrêmes (même si elles sont improbables ?).Les orbites entièrement extérieures à la région planétaire peuvent être divisées en deux classes générales : d'un côté, les objets soumis à une diffusion du demi grand-axe (ce qui empêche toute variation importante du périhélie) ; de l'autre côté les objets qui présentent une dynamique intégrable à court terme (ou quasi-intégrable). La dynamique de ces derniers peut être décrite par des modèles séculaires. Il existe deux sortes d'orbites régulières : les orbites non résonnantes (demi grand-axe fixe) et celles piégées dans une résonance de moyen mouvement avec une planète (demi grand-axe oscillant).La majeur partie de ce travail de thèse se concentre sur le développement de modèles séculaires pour les objets transneptuniens, dans les cas non résonnant et résonnant. Des systèmes à un degré de liberté peuvent être obtenus, ce qui permet de représenter chaque trajectoire par une courbe de niveau du hamiltonien. Ce type de formalisme est très efficace pour explorer l'espace des paramètres. Il révèle des trajectoires menant à des périhélies éloignés, de même que des "mécanismes de captures", capables de maintenir les objets sur des orbites très distantes pendant des milliards d'années. L'application du modèle séculaire résonnant aux objets connus est également très instructive, car elle montre graphiquement quelles orbites observées nécessitent un scénario complexe (comme la migration planétaire ou un perturbateur extérieur), et lesquelles peuvent être expliquées par l'influence des planètes connues. Dans ce dernier cas, l'histoire dynamique des petits corps peut être retracée depuis leur capture en résonance.La dernière partie de ce travail est consacrée à l'extension du modèle séculaire non résonnant au cas d'un perturbateur extérieur massif. S'il est doté d'une excentricité et/ou d'une inclinaison non négligeable, cela introduit un, voire deux degrés de liberté supplémentaires dans le système, d'où une dynamique en général non intégrable. Dans ce cas, l'analyse peut être réalisée à l'aide de sections de Poincaré, qui permettent de distinguer les régions chaotiques et régulières de l'espace des phases. Pour des demi grands-axes croissants, le chaos se propage très rapidement. Les structures les plus persistantes sont des résonances séculaires produisant des trajectoires alignées ou anti-alignées avec la planète distante.