Le système solaire, en astronomie, est le nom donné au système planétaire composé du Soleil et des objets célestes gravitant autour de lui : les huit planètes, leurs satellites naturels (appelés usuellement des "lunes"), les planètes naines, et les milliards de petits corps (astéroïdes, objets glacés, comètes, météoroïdes, poussières interplanétaires, etc.).

De façon schématique, le système solaire est divisé entre le Soleil, quatre planètes telluriques internes, une ceinture d'astéroïdes composée de petits corps rocheux, quatre géantes gazeuses externes et une seconde ceinture appelée ceinture de Kuiper, composée d'objets glacés. Au-delà de cette ceinture se trouve un disque d'objets épars, l'héliopause et, selon la théorie avancée par Jan Oort, le nuage d'Oort.

Les principaux éléments composant le système solaire sont donc :

Les huit planètes (Mercure, Vénus, la Terre, Mars, Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune par ordre de distance croissante du Soleil) ayant chacune des caractéristiques spécifiques.
Sept satellites de grande taille : la Lune, les 4 satellites galiléens de Jupiter (IO, Europe, Ganymède, Callisto), Titan satellite de Saturne et Triton satellite de Neptune dont les tailles sont supérieures à celle de Pluton et pour deux d'entre eux (Ganymède et Titan), supérieures à celle de Mercure. Il s'agit là de mondes à part entière, dont certains, comme Io ou Titan, ont des caractéristiques très originales.
Les planètes naines, dont Pluton, Eris et Cérès, qui selon la définition officielle du 24 août 2006 sont des corps en orbite autour du soleil, suffisamment massifs pour avoir une forme sphérique, mais qui n'ont pas fait place nette dans leur voisinage.
A ces corps de grande taille, il faut ajouter les petits corps du système solaire : petits satellites, astéroïdes et comètes.

Tous les corps qui viennent d'être décrits n'ont guère voyagé dans le système solaire, gardant des orbites proches de celles sur lesquelles ils se sont formés, même si des études récentes semblent proposer des migrations des planètes géantes comme Neptune pour expliquer certaines observations. Tel n'est pas le cas des comètes (petits objets de quelques km de diamètre), vraisemblablement formées dans le système solaire externe, mais qui, expulsées loin du Soleil, ont passé l'essentiel de leur histoire à de très grandes distances du Soleil. Cet éloignement leur a permis de conserver de grandes quantités de corps volatils (sous forme de glaces, comme l'eau, la glace carbonique, ...), qui, lorsque la comète est précipitée vers le Soleil, par le passage d'une étoile proche, donnent naissance à une queue de gaz et de plasma longue de plusieurs millions de kilomètres.

L'étude des corps constitutifs du système solaire a progressé très inégalement. On peut distinguer quatre étapes essentielles :

l'exploration par des survols rapides,
l'étude détaillée par la télédétection en orbite,
l'analyse in situ,
le retour d'échantillons.

Les problèmes scientifiques qui se posent dans l'étude du système solaire peuvent être rattachés à quelques grands thèmes comme l'origine du système solaire, l'origine de la vie et la planétologie comparée.

Les grandes étapes de l'exploration du système solaire peuvent être présentées par une approche à la fois "géographique" et chronologique.

la LUNE qui a été le premier objectif de l'exploration planétaire et les trois phases (exploration, étude détaillée et retour d'échantillons) se sont succédées très rapidement de 1959 à 1973. L'envoi de missions habitées sur la Lune a cependant bouleversé la chronologie en rapportant des échantillons avant même d'avoir réalisé la cartographie détaillée et des analyses in situ.

La lune est de loin le corps du système solaire le mieux connu. Près de 400 kg d'échantillons ont été collectés, dont plusieurs carottages de 2 à 3 m de profondeurs. Ces échantillons ont permis de montrer que la Lune s'était formée en même temps que la Terre par un impact géant d'un corps de la taille de Mars, mais que son évolution s'était arrêtée très tôt du fait de sa petite dimension.

Cependant son exploration présente des lacunes importantes car l'ensemble des missions avait comme objectif essentiel la préparation du vol habité. L'observation détaillée de la Lune n'a longtemps couverte qu'environ 20% de sa surface dans une zone principalement équatoriale. Ce n'est qu'avec la mission Clémentine en 1994 et Lunar Prospector en 1998 que cette lacune a été enfin comblée.

Depuis peu, l'intérêt international pour l'exploration lunaire renaît, avec l'arrivée de nouveaux acteurs comme le Japon, l'Inde et la Chine.

Les projets à venir se focaliseront sur des régions bien localisées de la Lune, en premier lieu South Aitken Basin où le manteau lunaire affleure peut-être, les cratères polaires qui ne voient jamais le Soleil et qui peuvent piéger de grandes quantités de glace d'eau, ou encore les cratères jeunes comme Copernic ou Tycho. La mission précurseur de ces projets dédiés est le LUNAR RECONNAISSANCE ORBITER de la NASA qui s'est concentré en 2009 sur le piégeage des volatils aux pôles de la Lune.

Durant la prochaine décennie, une majorité de projets font état d'astromobiles dédiés à telle ou telle région particulière. Ces projets sont généralement couplés à des développements technologiques, qui en point de mire ont 1/ une stratégie de retour d'échantillons de régions inexplorées par les missions APOLLO et LUNA, 2/ le retour des missions habitées sur la Lune. Reste enfin le cas de la structure interne de la Lune qui demeure mal contrainte par manque de données sismiques. Plusieurs projets envisagent de déposer des stations sismiques en réseau.

Les planètes telluriques constituent le système solaire interne : MERCURE, VENUS, TERRE, MARS.

MERCURE est la planète la plus proche du soleil, son diamètre se situe entre celui de la Lune et celui de Mars. Paradoxalement, Mercure représente une cible très coûteuse sur le plan énergétique du même niveau que Jupiter bien qu'elle se situe 8 fois plus près de la Terre.

Une seule mission spatiale avait visité Mercure (la mission américaine Mariner 10, entre 1974 et 1975) jusqu'en 2008. Trois survols successifs avaient permis de réaliser de nombreuses mesures (températures, champ magnétique,...) et d'enregistrer des milliers d'images de la planète couvrant près de la moitié de sa surface et montrant des détails de 1 à 2 km en moyenne.
Il faut ensuite attendre trente ans pour qu'une nouvelle mission soit lancée vers Mercure : la sonde américaine MESSENGER partie en 2004. Plusieurs survols de la planète sont prévus avant l'insertion en orbite en 2011.

La mission européenne BEPICOLOMBO doit aussi combler les lacunes de notre connaissance de la planète en l'étudiant en détails. BEPICOLOMBO, aujourd'hui en phase de développement, fournira un vaste ensemble d'observations coordonnées de la planète et de son environnement. Son départ est prévu pour 2014 avec une arrivée en 2020.

VENUS est une planète qui a des dimensions, une masse et une densité comparables à celles de la Terre. L'observation des similarités et des différences entre les évolutions de ces deux corps aussi similaires est d'un grand intérêt en planétologie comparée.

Une différence majeure, qui complique l'étude de Vénus, est son atmosphère extrêmement dense constituée de gaz carbonique et d'une épaisse couverture nuageuse.
Ceci rend difficile les observations de sa surface à partir d'une orbite. Deux méthodes restent disponibles : faire descendre des sondes jusqu'à la surface ou utiliser les micro-ondes (principe du radar).

Les observations des premières sondes ont révélé que l'effet de serre dû au gaz carbonique maintenait des températures très élevées en surface de l'ordre de 450°C, qui avec la forte pression, constituent un environnement difficile pour des systèmes automatiques.

Une autre différence majeure avec la Terre est la très grande période de rotation (243 jours rétrograde). Cette faible vitesse de rotation est probablement due à son épaisse atmosphère et aux forces de marée qui ont contribué à ralentir la rotation de la planète.

Des sondes spatiales envoyées par les russes et les américains ont permis de déterminer le profil thermique et la composition de l'atmosphère en fonction de l'altitude, de déterminer la composition chimique des roches superficielles et d'obtenir une carte globale de la planète avec une résolution de quelques centaines de mètres.

La mission européenne VENUS EXPRESS, lancée fin 2005, est une mission orbitale autour de Vénus dédiée à l'observation à distance de l'atmosphère de cette planète. Elle apporte une connaissance détaillée de la haute atmosphère, et des informations sur les contenus en CO et H2O de l'atmosphère sous les nuages.

La nature des équilibres, ou déséquilibres, entre roches de surface et atmosphère, demeure mal comprise. La compréhension de l'évolution et de la stabilité climatique de Vénus passe à l'avenir par la caractérisation in situ des roches de surface et de l'atmosphère au contact de ces roches, et des flux d'échange gazeux avec l'atmosphère.
De part les similarités et les remarquables disparités entre la Terre et Vénus, l'exploration de celle-ci est un axe fort de la planétologie moderne.

MARS est, par bien des aspects, la plus proche de notre planète : température moyenne, mais aussi existence de processus et de formes géologiques similaires à ceux observés sur la Terre (volcans, failles, canyons).

Deux missions américaines ont permis d'obtenir une cartographie globale de la surface martienne (Mariner 9) et de réaliser une analyse plus détaillée du sol en déposant des laboratoires automatiques (Viking).

Aucune trace d'organismes vivants (au sens terrestre du terme) n'a été trouvée. Le sol martien n'y semble guère favorable. Il est bombardé de rayons Ultra Violets, et une forte activité chimique le rend d'une toxicité extrême.

Depuis lors d'autres missions américaines ont exploré ou explorent encore la planète Mars, depuis son orbite (Mars Global Surveyor en 1996, Mars Odyssey en 2001, Mars Reconnaissance Orbiter en 2005), comme depuis sa surface (Mars Pathfinder en 1996, Mars Exploration Rover en 2003, Phoenix en 2007).

A la suite de l'échec de la mission Russe MARS-96 à laquelle étaient associés de nombreux scientifiques européens et français, l'ESA a décidé de réaliser pour 2003 une mission vers la planète Mars (MARS-EXPRESS). Cette mission a permis l'embarquement des principaux instruments français et européens développés pour MARS-96.

Depuis début 2004, la sonde Mars Express étudie ainsi l'atmosphère de Mars, la structure de la planète et sa géologie. MARS EXPRESS a montré que Mars est pourvue d'une activité volcanique récente (<100 Ma). Même réduite, cette activité est celle d'une planète en sommeil, mais pas éteinte, sans qu'on en comprenne vraiment l'évolution. A contrario, le champ magnétique, qui est induit par le noyau, est aujourd'hui éteint, mais a laissé des terrains aimantés datant d'une période d'activité primordiale. Ce champ magnétique est un facteur fondamental dans l'évolution de l'atmosphère au cours du temps, en raison de sa capacité à la protéger du vent solaire. Ainsi, dynamique interne et champ magnétique sont très mal connus en dépit de leur importance pour le couplage des enveloppes internes avec les enveloppes externes passées et actuelles (dégazage, échappement). Les lacunes fondamentales sur la structure interne de Mars (taille de noyau, minéralogie du manteau, épaisseur de la croûte, etc.) doivent être comblées pour apporter des contraintes sur les modèles de dynamique interne.
Par ailleurs, une des principales découvertes de la mission Mars Express concerne la présence de minéraux hydratés (phyllosilicates ou argiles), témoins potentiels de l'existence de quantités substantielles d'eau liquide de façon stable dans l'histoire précoce de Mars.

Actuellement le CNES participe à plusieurs des futures missions d'exploration de Mars telles Mars Science Laboratory (MSL), mission de la NASA, ou EXOMARS, mission de l'ESA. La mission PHOBOS GRUNT de Roskosmos a pour principal objectif de collecter et rapporter sur Terre des échantillons de la lune de Mars, Phobos. D'autres missions sont aussi prévues dans un futur plus ou moins proche, comme une mission de type NETLANDER (réseau géophysique) et Mars Sample Return (retour d'échantillons martiens).
 

Les planètes géantes, JUPITER, SATURNE, URANUS et NEPTUNE présentent plusieurs points communs :

elles constituent le système solaire externe et leurs caractéristiques reflètent les conditions régnant dans cette région au moment de la condensation de la nébuleuse solaire primitive.
de 15 à 300 fois plus massives que la Terre, elles sont pour l'essentiel constituées de gaz (hydrogène et hélium) entourant un noyau rocheux de silicates et de glace de taille supérieure à la Terre.
elles possèdent un cortège de satellites et d'anneaux de particules de petite taille, plus ou moins bien développés.

Leur exploration pose deux problèmes spécifiques liés à leur grande distance du Soleil :

l'énergie nécessaire pour les atteindre est importante et requiert soit des lanceurs lourds en trajectoire directe, soit des stratégies complexes d'assistance gravitationnelle.
les durées des missions deviennent rapidement très longues. Par exemple, une trajectoire directe de la Terre à Uranus a une durée typique d'une dizaine d'années !

L'étude du système solaire externe est en conséquence moins avancée que celle des planètes intérieures.

La mission américaine VOYAGER a mis à profit une configuration exceptionnelle favorable qui se produit tous les 180 ans environ.
Les quatre planètes géantes étaient alors pratiquement alignées permettant leur survol successif. La sonde VOYAGER 2 a ainsi pu, par ricochets successifs, visiter tour à tour Jupiter, Saturne, Uranus et enfin Neptune. La sonde VOYAGER 1 a visité Jupiter puis SATURNE et s'est consacrée à un survol rapproché de Titan le plus gros des satellites de Saturne.

Cette mission est à la base des connaissances actuelles du système solaire externe. Le caractère très turbulent des atmosphères de Jupiter et Saturne a été révélé, la grande tache rouge de Jupiter apparaissant comme un système cyclonique géant. Les systèmes de satellites ont révélé une extraordinaire diversité, qui permet de les assimiler à des systèmes solaires en miniature.

Le lancement de CASSINI-HUYGENS en octobre 1997 a été un grand succès. Cette mission, associant l'ESA et la NASA, a pour objectif l'étude du système de Saturne et particulièrement de son satellite Titan. CASSINI est un orbiteur développé par la NASA qui a atteint les environs de Saturne en juillet 2004. En décembre 2004, CASSINI a largué la sonde HUYGENS (développée par l'ESA) en direction de Titan pour étudier son atmosphère au cours de sa descente. Le 14 janvier 2005, HUYGENS a effectué sa descente dans l'atmosphère jusqu'à l'atterrissage 2h32m plus tard.

Les objectifs de la mission peuvent se résumer ainsi :

Etude détaillée de l'atmosphère, des anneaux et de la magnétosphère de Saturne,
Etude rapprochée des satellites de Saturne, caractérisation de l'atmosphère de Titan.

La mission Cassini a dévoilé la surface de Titan qui s'avère extraordinairement complexe. Elle présente de nombreux lacs et réseaux fluviatiles, preuves d'un véritable cycle du méthane et de l'éthane, sans doute encore actif, ainsi que des figures tectoniques et volcaniques nombreuses et variées. L'un des principaux attraits de Titan est sa richesse en composés organiques détectés dans son atmosphère et à sa surface. La chimie organique complexe se déroulant dans l'atmosphère, dans les lacs, à la surface ou dans l'hypothétique océan de subsurface reste encore mal connue.

Caractéristiques physiques des planètes

Caractéristiques orbitales des planètes

Ce terme fut adopté le 24 août 2006 par l'Union Astronomique Internationale. En juin 2007, trois corps ont officiellement été reconnus comme planètes naines, soit par ordre de taille décroissante : Eris, Pluton et Cérès. D'après Michael E. Brown, découvreur d'Eris, une cinquantaine d'autres corps pourraient prochainement rejoindre cette nomenclature, puis des centaines d'autres à l'avenir.

La prochaine mission de la NASA, DAWN, lancée en 2007, doit se mettre en orbite autour de la planète naine Cérès (en 2015).

Les petits corps du système solaire représentent de très loin la famille la plus nombreuse (plus de 900 comètes et plus de 100.000 astéroïdes ont été observés).
On considère généralement qu'il s'agit des derniers survivants des "planétoïdes", phase intermédiaire de l'accrétion des planètes : similaires aux comètes pour le système solaire externe, aux astéroïdes pour les planètes telluriques. L'intérêt majeur de ces objets est donc les informations qu'ils peuvent nous fournir sur la formation et les premières phases de l'évolution du système solaire.

L'étude de ces objets est très en retard par rapport à celle des systèmes planétaires. C'est le retour de la comète de Halley (en 1986) avec son intérêt exceptionnel à la fois scientifique et médiatique qui a conduit aux premières missions d'exploration. Plusieurs sondes ont été lancées dont la sonde européenne GIOTTO.

Les images obtenues par GIOTTO ont révélé une surface très sombre, d'une réflectivité voisine de 4%. D'autres parts l'émission de gaz et de poussière qui constitue l'activité cométaire provenait de quelques régions couvrant moins de 10% de la surface. L'essentiel de la surface est donc recouvert d'une croûte réfractaire.
L'analyse chimique des poussières a mis en évidence une proportion très importante de composés organiques très supérieure à celle des météorites riches en carbone.

ROSETTA (mission ESA) vise à réaliser un rendez-vous avec la comète Churuymov-Gerasimenko afin d'étudier son noyau et son activité lors de l'approche du Soleil. Le rendez-vous est prévu en 2014. Au cours de son voyage, la sonde rencontrera plusieurs astéroïdes pour lesquels elle récoltera quelques données.

Peu d'astéroïdes ont été observés de près par une sonde spatiale. Ces corps, d'une taille de quelques kilomètres à près de 1000 km, orbitent entre Mars et Jupiter. Une autre population, appelée Ceinture de Kuiper, orbite au-delà de Neptune.

L'essentiel des informations dont on dispose provient de deux sources : les observations depuis la Terre et les analyses en laboratoire des météorites.

Les astéroïdes apparaissent ainsi extraordinairement divers : depuis des objets très sombres, rougeâtres, vraisemblablement similaires à des noyaux cométaires très peu actifs, jusqu'à des corps rocheux ou métalliques.

A ce jour, un certain nombre de missions spatiales ont réalisé des survols d'astéroïdes (951 Gaspra, 243 Ida/Dactyl, 253 Mathilde, 9969 Braille et 5535 Anne Frank) ou de comètes (1P/Halley, 19P/Borelly, 81P/Wild 2, 9P/Tempel 1). Seules deux missions ont été spécifiquement dédiées à une étude d'astéroïdes géocroiseurs (Near Earth Objects, NEO) : NEAR-Shoemaker (NASA) et HAYABUSA (JAXA). La prochaine mission de la NASA, DAWN, lancée en 2007, doit se mettre en orbite autour de l'astéroïde 4 Vesta (en 2011) avant de rejoindre la planète naine Cérès (en 2015).