Les satellites et la Lune tournent autour de la Terre, la Terre tourne autour du Soleil, le Soleil autour du centre de notre galaxie la Voie Lactée… : dans l’espace, tout tourne (ou presque) ! Tous ces mouvements de rotation suivent des chemins que l’on appelle des orbites. Explications.

Des chemins tracés par la physique

On appelle orbite la trajectoire plane, courbe et continue, que suit un objet autour d’un autre corps. Il peut s’agir d’objets ou corps naturels (les planètes autour de notre Soleil par exemple) ou d’engins fabriqués et lancés par les humains. On met en orbite des satellites artificiels autour de la Terre, du Soleil, de Mars… 

Ainsi, depuis plus de 4,5 milliards d’années, la Terre dessine une orbite autour du Soleil. Magie ? Non, bien sûr, les orbites s’expliquent par la physique.

2 phénomènes entrent en jeu : la gravitation et la force centrifuge liée à la vitesse. Prenons l’exemple d’un satellite en orbite terrestre. Celui-ci est attiré par la Terre sous l’effet de la gravitation (tous les corps s’attirent les uns les autres, plus ou moins fortement selon leur masse). Mais comme le satellite tourne autour de la Terre, cela créé une force centrifuge (cette même force qui nous éjecte du tourniquet !) qui compense la gravitation. La vitesse du satellite doit ainsi être assez élevée pour que la force centrifuge qu’elle génère compense la force d’attraction… et éviter que le satellite s’écrase. Par exemple à 300 km d’altitude, cette vitesse (appelée vitesse de satellisation) doit être de 7,8 km/s soit 28 000 km/h !  

La vitesse de la Terre autour du Soleil (on parle de vitesse orbitale dans le cadre des orbites naturelles) est de quasiment 30 km/s. Celle de Neptune, plus éloignée du Soleil, est presque 6 fois plus faible, environ 5,4 km/s

Les orbites terrestres

Dis-moi à quelle altitude tu voles et je te dirais sur quelle orbite tu te trouves... Depuis 1957 et la mise en orbite du tout premier satellite, le soviétique Spoutnik, les humains ne cessent d’envoyer des engins autour de la Terre, sur des trajectoires circulaires dont le centre est notre planète. Mais tous ne sont pas aux mêmes altitudes, qui dépendent de leurs objectifs et des capacités des instruments qu’ils embarquent. 

• L’orbite terrestre basse (LEO - Low Earth Orbit)

On parle souvent de LEO (pour Low Earth Orbit en anglais). C’est l’orbite la plus proche de la Terre, entre environ 300 km et 3 000 km d’altitude. C’est là où se trouvent la majorité (plus de 80 %) des engins artificiels : satellites d’observation, de météorologie, de télécommunications… Pourquoi ? Car ils nécessitent moins d’énergie au lancement. Et cette proximité avec la Terre réduit les temps de trajet des communications entre la surface et l’engin. 

À ces altitudes, les satellites doivent se déplacer très vite, pour que la force centrifuge (générée par la vitesse) puisse suffisamment compenser la force d’attraction de la Terre, plus forte à basse altitude. Ils font ainsi plusieurs fois le tour de la Terre en une journée.

• L’orbite terrestre moyenne (MEO - Medium Earth Orbit)

Elle se situe entre 2 000 km et 36 000 km environ d’altitude. Elle est essentiellement occupée par les satellites des systèmes de navigation, comme l’américain GPS ou l’européen Galileo, dont les 30 satellites orbitent à exactement 23 222 km d’altitude. 

• L’orbite géostationnaire (GEO - GEostationary Orbit)

Cette orbite est située précisément à 35 880 km de la Terre et dans le plan équatorial de la Terre. Comprenez le plan imaginaire qui coupe notre planète en 2 au niveau de l’équateur. A cette altitude, la période orbitale, c’est-à-dire la durée que met l’engin pour parcourir complètement son orbite, est identique à la durée de rotation de la Terre sur elle-même. Ainsi, un satellite sur l’orbite géostationnaire fait un tour en 24h comme la Terre (on parle de mouvement « géosynchrone ») et il survole toujours la même zone. Depuis le sol, il apparaît immobile ! Très pratique pour les télécommunications : pas besoin de bouger l’antenne au sol pour suivre l’engin ! 

Des satellites météorologiques, comme ceux du programme européen MeteoSat, eux aussi utilisent cette orbite car à cette hauteur, ils « voient » quasiment tout un hémisphère ! Ils peuvent aussi suivre en temps réel le mouvement des nuages.

• Quelques autres orbites spécifiques

En plus de son altitude, une orbite est caractérisée par son inclinaison (plus exactement celle du plan où elle se trouve) par rapport au plan de l’équateur.

L’orbite polaire est inclinée à 90°. En clair, elle passe au-dessus des 2 pôles de notre planète, donc selon une trajectoire orientée nord-sud. Grâce à la rotation de la Terre sur elle-même, d’ouest en est, un satellite en orbite polaire survole rapidement toute la planète. Les satellites européens de météorologie surveillent ainsi la Terre et son atmosphère depuis l’orbite polaire. Ils survolent le globe 14 fois par jour, d’un pôle à l’autre.

Les orbites héliosynchrones. Les satellites placés sur cette orbite observent chaque région de la Terre toujours à la même heure solaire. C’est-à-dire qu’à chaque fois que le satellite survole la France par exemple, la position du Soleil dans le ciel est la même. Pour cela, les ingénieurs doivent définir une altitude (entre 400 et 900 km) associée à une inclinaison précise par rapport à l’équateur. Cette orbite est très intéressante pour les satellites d’étude du climat par exemple, pour faire des comparaisons pertinentes.

Des orbites à l’infini…

On trouve des orbites partout dans l’Univers. Le Soleil lui-même décrit une orbite autour du centre de notre Galaxie, la voie lactée. De nombreuses lunes orbitent autour des grandes planètes de notre Système solaire (Jupiter, Saturne…) et des milliers d’exoplanètes font leur chemin autour d’autres étoiles de l’Univers.

• Les planètes ne tournent pas rond !

« Les planètes décrivent autour du Soleil des orbites en forme d’ellipse. Le soleil n’est pas au centre mais sur le côté. » Cette loi physique (la première loi de Kepler, du nom de son découvreur Johannes Kepler/1571-1630) bouscule un peu les représentations schématiques que l’on se fait de notre Système solaire. En effet, ce n’est pas tout à fait un cercle que décrivent les planètes. Ce cas de figure est d’ailleurs quasiment impossible dans la nature. 

Ainsi, les orbites planétaires sont elliptiques : les planètes dessinent une ellipse, un ovale - certes presque rond - autour du Soleil. C’est pourquoi la distance de la Terre à notre étoile varie de 147 millions à 152 millions de km. Cette distance est de 46 à 70 millions de km dans le cas de la planète Vénus, plus proche du Soleil. 

D’autres corps dessinent des orbites franchement excentriques (l’ellipse est très allongée). Les lois physiques font que dans ces cas là, le corps central n’est pas… central mais décalé. C’est le cas des petits objets, comme les astéroïdes ou les comètes qui gravitent autour du Soleil. Par exemple, la comète 12P/Pons-Brooks, qui tourne autour de notre étoile, a une orbite tellement excentrique qu’elle passe « d’un côté » au-delà de Neptune, à plus de 5 milliards de km du Soleil, et « de l’autre » à un peu plus d’un million de km du Soleil (moins que la distance Terre-Soleil !).

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• Les possibilités de la mécanique spatiale

Les ingénieurs qui calculent les orbites et les trajets des satellites font de la mécanique spatiale. Oui, ils maîtrisent les mathématiques et la physique ! Ils peuvent ainsi - en théorie - envoyer des objets en orbite partout dans l’Univers. 

Dans les faits, plusieurs sondes ont déjà orbité autour d’autres corps de notre Système solaire, autre que la Terre. Autour de la Lune, de Mars, de Saturne, du Soleil… Bepi Colombo va orbiter autour de Mercure à partir de 2025, alors que la sonde JUICE est en route pour Jupiter. Elle doit se placer en orbite autour de la planète géante autour de 2031. 

Quizz

Sur une orbite elliptique, la distance entre l’objet en rotation et l’astre autour duquel il tourne varie. Dans le cadre d’une orbite elliptique autour du soleil (héliocentrique), comment appelle-t-on le point le plus proche et celui le plus éloigné du Soleil ?

A – Périgée et apogée

B – Périhélie et aphélie

C – Ophélie et Dieudonné

D – Culminant et azimut