Pluton (planète naine)

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(134340) Pluton

Pluton vu par Hubble en 2010[1].
Caractéristiques orbitales
Demi-grand axe	5 906 450 638 km (39,48218387 UA)
Aphélie	7 375 927 931 km (49,31 UA)
Périhélie	4 436 824 613 km (29,66 UA)
Circonférence orbitale	?
Excentricité	0,25024871
Période de révolution	90 613,3058 d
Période synodique	?
Vitesse orbitale moyenne	4,74 km/s
Vitesse orbitale maximale	?
Vitesse orbitale minimale	?
Inclinaison sur l’écliptique	17,14175°
Nœud ascendant	110,30347°
Argument du périhélie	113,76329°
Satellites connus	Charon, Hydra, Nix, P4
Caractéristiques physiques
Rayon équatorial	1 153 ± 10 km
Rayon polaire	?
Périmètre équatorial	?
Superficie	1 665×107 km2 (0,033 Terre)
Volume	6 39×109 km3 (0,0059 Terre)
Masse	(1,314 ± 0,018)×1022 kg (0,002 Terre)
Masse volumique globale	2 030 ± 60 kg/m3
Gravité de surface	0,655 m/s2
Vitesse de libération	1,3 km/s
Période de rotation (jour sidéral)	6,387 d (248 a 31 j 7,34 h rétrograde)
Vitesse de rotation (à l’équateur)	?
Inclinaison de l’axe	119 61°
Albédo géométrique visuel	0,60
Température de surface :
Maximum :	55 K (-218 °C)
Moyenne :	44 K (-229 °C)
Minimum :	33 K (-240 °C)
Caractéristiques de l’atmosphère
Pression atmosphérique	<0,4 Pa
diazote	> 90 %
méthane	< 10 %
Histoire
Découverte par	Clyde W. Tombaugh
Découverte le	18 février 1930

Pluton, officiellement appelée (134340) Pluton^{[note 1]}, est la deuxième plus grande planète naine connue dans le Système solaire après Éris, avec un diamètre de 2 306 km^[2] (à comparer au diamètre d'Éris, estimé entre 2 300 et 2 500 km^[3], voire aux alentours de 2 600 km^[4]). Premier objet transneptunien identifié, Pluton orbite autour du Soleil à une distance variant entre 29 et 49 UA et appartient à la ceinture de Kuiper.

Depuis sa découverte par l'astronome américain Clyde Tombaugh en 1930, Pluton était considérée comme la neuvième planète du système solaire. À la fin du XX^e siècle et au début du XXI^e siècle, de plus en plus d’objets similaires furent découverts dans le système solaire externe, en particulier Éris, légèrement plus grand et plus massif que Pluton. Cette évolution amena l’Union astronomique internationale (UAI) à redéfinir la notion de planète en août 2006, Cérès, Pluton et Éris étant depuis cette date classées comme des planètes naines^[5]. L’UAI a également décidé de faire de Pluton le prototype d’une nouvelle catégorie d’objet transneptunien. Suite à cette modification de la nomenclature, Pluton a été ajoutée à la liste des objets mineurs du système solaire et s’est vue attribuer le numéro 134340 dans le catalogue des objets mineurs. En juin 2008, l'UAI a décidé de le classer dans la catégorie des plutoïdes, comme Éris.

Pluton est principalement composée de roche et de glace de méthane, mais aussi de glace d’eau. Son diamètre est d’environ les deux tiers de celui de la Lune. Le couple que forme Pluton avec son grand satellite, Charon, est généralement considéré comme un système double, puisque la différence de masse entre les deux objets est l’une des plus faibles de tous les couples planétoïdes/satellites du système solaire (rapport 8 pour 1), et surtout parce que le barycentre de leurs orbites ne se situe pas à l’intérieur d’un des deux corps.

Deux autres satellites naturels nettement plus petits, Nix et Hydra, ont été découverts en 2005. Le 20 juillet 2011, la NASA a annoncé que le télescope spatial Hubble avait permis d'identifier un 4ème satellite, nommé provisoirement P4, qui ferait entre 14 et 34 km de diamètre^[6],[7].

Aucune sonde spatiale n’a encore survolé Pluton en 2011, mais la sonde New Horizons, lancée en janvier 2006 par la NASA pour explorer le système plutonien, doit le survoler durant l’été 2015, après un voyage de 6,4 milliards de kilomètres.

Historique

Découverte

Astrographe de l'observatoire Lowell ayant servi à la découverte de Pluton
En métal gris, le dispositif photographique

Pluton fut découvert en 1930 lors de la recherche d'un corps céleste permettant d'expliquer les perturbations orbitales de Neptune, hypothèse proposée par Percival Lowell comme étant la Planète X.

Ayant fait fortune dans les affaires, Lowell se fait construire en 1894 un observatoire à plus de 2 000 mètres d'altitude dans l'Arizona et entreprend la recherche d'une neuvième planète au-delà de Neptune. Il pense suivre la même méthode que celle qui avait conduit à la découverte de cette dernière en étudiant son orbite, mais la précision des instruments de l'époque ne permettant pas de mesurer de façon précise les anomalies orbitales, il doit se rabattre sur celles d'Uranus. Sa planète (baptisée « X ») serait située à 47,5 ua, aurait une période de 327 ans et une masse de deux cinquièmes de celle de Neptune. En 1905, il lance une première campagne photographique de trois ans, mais celle-ci ne donne rien de concluant, notamment, comme il fut démontré par la suite, parce que ce programme était focalisé sur l'écliptique et que l'orbite fortement inclinée de Pluton la plaçait à cette époque en dehors du champ des photographies^[8]. Lowell ne baisse pas les bras pour autant et décide de redoubler d'efforts, notamment lorsqu'il voit apparaître un concurrent : William Pickering. Celui-ci annonce en 1908 la présence d'une planète qu'il nomme « O » de deux masses terrestres, à une distance de 52 ua et d'une période de 373 ans. En 1911, Lowell fait l'acquisition d'un comparateur à clignotement, machine destinée à l'analyse photographique lui permettant de comparer les clichés beaucoup plus vite (deux séries de photos sont prises à quelques jours d'intervalle pour repérer le mouvement éventuel d'un astre) et entame une nouvelle série de photographies^[9]. Un nouvel échec qui le mènera à se désintéresser de sa planète X.

Percival Lowell meurt en 1916 mais laisse dans son testament de quoi poursuivre les recherches sans se soucier des problèmes d'argent, bien que des problèmes d'héritage avec sa femme finissent par réduire le budget de l'observatoire. Or dix ans plus tard, l'observatoire nécessite un nouvel instrument. Abott Lawrence Lowell, le frère de Percival Lowell, accepte de donner dix mille dollars pour la construction d'un télescope de 13 pouces que Clyde W. Tombaugh sera chargé de piloter pour cette lourde tâche qu'est la cartographie minutieuse du ciel, à la recherche de la planète X. Tombaugh réorganise son plan de travail et procède à trois prises au lieu de deux afin d'augmenter les chances de percevoir le mouvement de la planète. La troisième série de clichés prend fin le 29 janvier 1930 et commence alors l'analyse des plaques photographiques. Le 18 février à 16 heures, il remarque un point de magnitude +15 bouger d'une plaque à l'autre sur deux photographies prises les 23 et 29 janvier. L'équipe de l'observatoire Lowell, après avoir pris d'autres photographies permettant de confirmer la découverte, télégraphie la nouvelle au Harvard College Observatory le 13 mars 1930^[10].

De nombreux observatoires se mettent alors à observer cette nouvelle planète, afin de déterminer son orbite le plus précisément possible. En reprenant des clichés antérieurs, Pluton est rétroactivement observée sur des plaques photographiques remontant jusqu'à 1909^[11].

La planète est nommée à la fois en référence au dieu romain des enfers et à Percival Lowell dont les initiales forment les deux premières lettres de Pluton. Ses initiales forment le symbole de Pluton (♇)^[12],[13]. Le nom fut suggéré par Venetia Burney, une jeune fille de onze ans d'Oxford, en Angleterre. Passionnée de mythologie et d'astronomie, Venetia Burney trouva approprié d'associer le nom le dieu du monde souterrain à ce monde obscur et glacé. Sa grand-mère qui travaillait à la bibliothèque universitaire d'Oxford en parla à l'astronome Herbert Hall Turner, qui transmit l'idée à ses confrères américains^[14]. Le nom de Pluton fut officialisé le 24 mars 1930^[15].

Pluton et la planète X

À l'origine, la découverte de Pluton est liée à la recherche systématique d'une planète permettant d'expliquer les perturbations observées dans les orbites d'Uranus et Neptune, mais le doute est très vite jeté sur le fait que Pluton serait bien la planète X que Percival Lowell recherchait^[16].

À cette époque, Pluton est si lointain que son diamètre ne peut pas être déterminé avec précision, mais sa faible luminosité et son absence de disque apparent laissent présager un corps plutôt petit, comparable en taille aux planètes telluriques déjà connues, probablement plus grand que Mercure mais pas plus que Mars, pense-t-on à l'époque^[17]. Il devient donc rapidement clair que Pluton ne peut pas être la source des perturbations dans les orbites de Neptune et Uranus. Clyde Tombaugh et d'autres astronomes persevèrent dans la recherche de la planète X pendant 12 ans, mais ne découvrent que des astéroïdes et des comètes^[16]. Les astronomes sont amenés à imaginer que de nombreux autres corps similaires à Pluton pourraient orbiter autour du Soleil au-delà de Neptune. On pense alors que le système solaire pourrait être constitué de plusieurs zones regroupant les corps célestes par familles, planète tellurique, planète géante, « objets ultra-neptuniens »^[17]. Cette hypothèse sera formalisée plus tard au cours des années 1940 et 1950 par Kenneth Edgeworth puis Gerard Kuiper, et est désormais connue sous le nom de ceinture de Kuiper^[18].

En 1993, les calculs de la trajectoire de survol de Neptune par la sonde Voyager 2 en août 1989^[19] ont montré que Neptune avait une masse inférieure aux hypothèses précédentes, et en tenant compte de cette nouvelle mesure, le mathématicien Myles Standish montre que les divergences dans les mouvements des planètes Uranus et Neptune deviennent négligeables devant l'incertitude de la mesure liée à la précision des instruments. L'hypothèse d'une planète X perturbatrice ne tient donc plus, et c'est donc sur la base d'une prédiction de position fausse que Pluton fut découverte^[20].

Statut de planète naine

Vue d'artiste de Pluton

Dans la dernière décennie du XX^e siècle, la découverte de nombreux objets transneptuniens (plus d'un millier), dont certains ont une dimension estimée voisine de celle de Pluton pousse à la remise en question de son statut de planète^[21].

Parmi ceux-ci, de très nombreux corps sont découverts qui possèdent une orbite de période de révolution égale à celle de Pluton, et sont comme lui en résonance 2:3 avec Neptune^[21].

Certains scientifiques proposent alors de reclasser Pluton en planète mineure ou en objet transneptunien. D'autres, comme Brian Marsden du Minor Planet Center, penchent pour lui attribuer les deux statuts, en raison de l'importance historique de sa découverte. Marsden annonce le 3 février 1999 que Pluton serait classée comme le 10 000^e objet du catalogue recensant justement 10 000 planètes mineures. Le numéro rond de 10 000 serait attribué à Pluton en son honneur pour la « célébration » de ce compte atteint. L'Union astronomique internationale (UAI), l'organisme coordinateur de l'astronomie au niveau international, en charge de la dénomination des corps célestes ainsi que de leur statut, fit alors une mise au point, rappelant qu'elle seule était habilitée à déterminer le statut de Pluton^[22].

Historiquement, les quatre premiers astéroïdes découverts de 1801 à 1807 — (1) Cérès, (2) Pallas, (3) Junon et (4) Vesta — furent eux aussi considérés comme des planètes pendant plusieurs décennies (leurs dimensions n'étaient pas connues avec précision à l'époque). Certains textes astronomiques du début du XIX^e siècle font référence à onze planètes (incluant Uranus et les quatre premiers astéroïdes). Le cinquième astéroïde ((5) Astrée) fut découvert en 1845 peu de temps avant la découverte de Neptune, suivi de plusieurs autres dans les années suivantes. Dans les années 1850, on cessa de considérer ces objets de plus en plus nombreux comme des « planètes », pour les nommer « astéroïdes » ou « planètes mineures »^[23].

La découverte en 2005 de (136199) Éris^{[note 2]}, d'un diamètre et d'une masse légèrement supérieurs à celui de Pluton, contribue à relancer le débat. Le diamètre d'Éris, qui avait initialement été estimé à 3 600 km (il était alors notablement plus grand que Pluton) était encore en 2006 du même ordre de grandeur que celui de Pluton, même après avoir été revu à la baisse (2 400 km ± 100 km). Selon une étude publiée dans Science du 14 juin 2007, sa masse serait supérieure à celle de Pluton d'environ 27 %^[24]. De nombreux autres corps ont également été découverts à cette époque, tels que (136472) Makemake, (90482) Orcus ou (90377) Sedna, régulièrement annoncés comme étant la dixième planète du système solaire.

La classification en neuf planètes devient difficilement tenable. Le dernier mot revient à l'UAI, qui, lors de son 26^e congrès tenu le 24 août 2006 en République tchèque, a décidé au terme d'une semaine de débats de compléter la définition de planète, disant qu'une planète élimine de son voisinage tous les objets ayant une taille qui lui soit comparable^[25]. Ce qui n'est pas le cas de Pluton, qui partage son espace avec d'autres objets transneptuniens et qui est reclassé en planète naine^{[22],[26],[5]}. Le Minor Planet Center lui attribua le 7 septembre 2006 le numéro d'objet mineur 134340^[27].

Néanmoins, suite au vote, une pétition^[28] ayant réuni en cinq jours les signatures de plus de 300 planétologues et astronomes majoritairement américains (Pluton ayant été la première planète découverte par un américain) a été lancée pour contester la validité scientifique de la nouvelle définition de planète qui déclassait Pluton ainsi que son mode d'adoption et inviter à la réflexion sur une autre définition plus appropriée^[29]. Catherine Cesarsky, présidente de l'UAI, clot le débat en décidant que l'assemblée de l'UAI d'août 2009 ne reviendrait pas sur la définition de planète^[30].

Pluton conserve son importance

Environ 150 objets orbitant comme Pluton avec une résonance 2:3 avec Neptune étaient recensés en février 2006, ce qui tend à montrer que Pluton est le plus grand représentant d'une vaste famille de corps plus ou moins massifs. Les astronomes David Jewitt et Jane Luu proposent de les nommer « Plutinos »^[21].

Une nouvelle sous-catégorie, les plutoïdes, est créée par l'UAI pour les planètes naines qui passent la majeure partie de leur révolution orbitale à l'extérieur de l'orbite de Neptune, dont Pluton fait partie^[31].

Exploration de Pluton

Lancement de la sonde New Horizons par une fusée Atlas V.

Pluton est un objectif difficile pour l'exploration spatiale, à cause de la grande distance la séparant de la Terre, de la forte inclinaison de son orbite (17 °) sur l'écliptique et de sa très faible masse, et n'a donc jusqu'à présent été visité par aucune sonde spatiale, ce qui explique en partie le peu de données disponibles.

La sonde Voyager 1 aurait éventuellement pu l'atteindre, mais l'exploration de Titan (le satellite de Saturne) et des anneaux de Saturne fut jugée plus importante, ce qui eut pour effet de rendre sa trajectoire incompatible avec un rendez-vous avec Pluton. Voyager 2 n'était pas en mesure de l'atteindre car la trajectoire théorique de la sonde pour réaliser ce rendez-vous supposait de traverser la planète Neptune^[32].

La NASA étudia en 1991 un projet de sonde vers Pluton, qui fut révisé à la baisse en 1992 puis abandonné en 1994. Un nouveau projet américano-russe, la mission Pluto Kuiper Express, démarra en 1995. Il aurait eu pour but le survol vers 2012 du couple Pluton/Charon, et d'au moins un objet de la ceinture de Kuiper. La Nasa l'annula en 2000, pour des raisons budgétaires^[33]. Elle a finalement été remplacée par une mission similaire, New Horizons. La sonde New Horizons, lancée le 19 janvier 2006, sera donc la première sonde spatiale à visiter Pluton, bénéficiant en février 2007 de l'assistance gravitationnelle de Jupiter^[34] pour arriver au plus près de la planète naine le 14 juillet 2015, après un voyage de 6,4 milliards de kilomètres. Les observations débuteront environ cinq mois avant le plus proche passage et devraient continuer environ un mois après. Le survol sera toutefois si rapide que seul un hémisphère sera photographié avec la résolution la plus élevée^[35]. L'engin spatial emporte à son bord des instruments d'imagerie, de spectrométrie et d'autres appareils de mesure, afin de déterminer les caractéristiques géologiques et morphologiques de Pluton et de sa lune Charon, mais aussi cartographier les éléments composant leur surface et étudier l'atmosphère de Pluton (composition et taux d'évasion). La mission prévoit également un survol des objets de la ceinture de Kuiper jusqu'en 2025^[36].

Orbite

L'orbite de Pluton autour du Soleil a été observée pendant plus de 90 ans (le cliché le plus ancien sur lequel on repère Pluton remonte à janvier 1914), durée de parcours d'un peu plus du tiers de sa trajectoire annuelle, mais suffisante pour mesurer avec précision ses caractéristiques orbitales^[20].

Paramètres orbitaux

Orbite de Pluton, vue dans le plan de l'écliptique. Cette vue montre l'inclinaison de l'orbite de Pluton (en rouge) par rapport à celle de Neptune (en bleu).

Orbite de Pluton, vue polaire. Orbite de Pluton en rouge, de Neptune en bleu.
La position présentée est celle du 16 avril 2006, le mouvement des deux corps se fait selon le sens antihoraire (prograde).
Le périhélie et l'aphélie sont marqués respectivement par q et Q.

Orbite de Pluton et l'écliptique.

Orbite

Le demi-grand axe de l'orbite de Pluton est de 39,88 ua^[37], mais du fait de l'excentricité prononcée de cette orbite, la distance entre Pluton et le Soleil varie entre 29,7 ua au périhélie et 49,5 ua à l'aphélie, et l'année plutonienne dure 248,1 années terrestres^[38].

Inclinaison

Vue de l'orbite de Pluton par rapport à l'écliptique. L'orbite de Pluton (en rouge) montre la grande différence d'inclinaison avec l'écliptique de la Terre.

En comparaison des planètes classiques du système solaire, l'orbite de Pluton est fortement inclinée par rapport au plan de l'écliptique (17,14 175 °) et excentrique (0,24880766). Les orbites des planètes classiques sont quasi-circulaires et co-planaires de l'écliptique (seule Mercure possède une orbite inclinée (7 °) et excentrique (0,2) de manière significative).

Comparaison avec Neptune

Le périhélie de Pluton est situé à plus de 8,0 ua au-dessus du plan de l'écliptique, soit 1,2 milliard de km et c'est près de cette position de son orbite, que la planète naine se trouve plus proche du Soleil que Neptune. Ce fut le cas pendant vingt ans entre le 7 février 1979 et le 11 février 1999. À l'opposé, Pluton s'éloigne de 13 ua au-dessous du plan de l'écliptique^[39].

Croisements avec d'autres astéroïdes

L'orbite de Pluton étant très excentrique, elle croise celle de nombreux autres objets ; parmi les astéroïdes numérotés, ces hadéocroiseurs comptaient (en juillet 2004) 10 frôleurs intérieurs (dont (5145) Pholus), 24 frôleurs extérieurs (dont (19521) Chaos), 17 croiseurs (dont (38628) Huya) et 37 co-orbitaux (dont (20000) Varuna, (28978) Ixion et (50000) Quaoar)^[40].

Résonance orbitale

Ce diagramme indique les positions relatives de Pluton (en rouge) et Neptune (en bleu) à certaines dates. Les tailles de Neptune et Pluton sont représentées comme inversement proportionnelles à leur distance. L'approche minimale a eu lieu en juin 1896 à 18,9 ua, soit plus de 2,8 milliards de km.

Bien que Pluton soit parfois plus proche du Soleil que Neptune, les orbites des deux objets ne se croisent jamais, en raison de la forte inclinaison (environ 17 °) de l’orbite de Pluton par rapport au plan de l’écliptique. Les nœuds de l'orbite de Pluton (les points où l'orbite traverse le plan de l'écliptique) sont situés à l'extérieur de l'orbite de Neptune^[39].

Pluton orbite autour du Soleil en résonance orbitale 3:2 par rapport à Neptune, c'est-à-dire que sur une durée de 496 ans Pluton effectue deux révolutions autour du Soleil pendant que Neptune en réalise trois. Cette résonance est stable : une perturbation de l'orbite de Pluton serait corrigée par l'attraction de Neptune. À cause de ce phénomène, Pluton et Neptune ne sont jamais plus proches que 18,9 ua, tandis que Pluton peut s’approcher à 12 ua d'Uranus. Quand Neptune dépasse le point où les deux orbites sont les plus proches, la résonance maintient une séparation angulaire Neptune-Soleil-Pluton supérieure à 50 ° et Pluton reste près de 30 ua derrière Neptune, soit près de 4,5 milliards de km. Le vrai point de rapprochement se situe de l'autre côté de l'orbite. Neptune « dépasse » toujours Pluton quelque 30 ans après l'aphélie de ce dernier^[41].

D'autres objets transneptuniens qui gravitent sur une orbite dont le demi-grand axe est de 39,4 ua possèdent une telle résonance orbitale 3:2 avec Neptune et sont appelés des plutinos, par référence à Pluton^[42],[43]. En 2009, on en compte plus de 200^[44].

Caractéristiques physiques

Si la trajectoire de Pluton a pu être déterminée sans grande difficulté, la détermination de ses caractéristiques physiques (diamètre, masse, et partant densité, pouvoir réflecteur, état de la surface) sont restées longtemps mal connues et controversées : son diamètre apparent est inférieur à ¼ de seconde d'arc, tandis que les turbulences de l’atmosphère terrestre rendent difficiles l’observation de détails inférieurs à une seconde d’arc^[45]. La finesse des observations s’est accrue à partir des années 1980, par l’usage de l’optique adaptative, de la spectrométrie, et du télescope spatial Hubble^[46]. La découverte en 1978 d’un satellite de Pluton, Charon, offrit des moyens d’investigation supplémentaires^[47]. Néanmoins en 2010, les valeurs publiées diffèrent encore quelque peu selon que l'on se réfère à la NASA^[48] ou à des publications récentes^[49],[50]. Le survol en 2015 par la mission New Horizons et les effets gravitationnels du couple Pluton-Charon par de la sonde permettront d'ajuster les valeurs de son champ de gravité, selon l'observation de l'effet Doppler sur les signaux de la sonde et la déduction qui en résulte des variations de sa vitesse et de son accélération induite par Pluton et Charon^[51].

Rotation

En 1955, on observe que les variations de la luminosité de Pluton sont de l'ordre de 30% et sont périodiques. On en déduit que Pluton tourne sur elle-même en 6,387 jours, soit 6 jours, 9 heures et 17 minutes^[52]. Son axe de rotation est incliné de 57,5 ° par rapport à son plan orbital, ce qui est plutôt élevé et inhabituel dans le système solaire (seule Uranus a une inclinaison comparable)^[53]. Aux points de solstice de son orbite, Pluton expose donc un pôle au Soleil pendant plusieurs années, et aux points d'équinoxe, soit tous les 124 ans, il tourne comme sur une broche face au Soleil, tandis que la Terre voit verticalement sa ligne d'équateur ainsi que l'orbite de Charon, qui passe alternativement devant et derrière Pluton^[54].

L'action des forces de marée a contraint la période de rotation de Pluton jusqu'à la synchroniser avec la période de révolution de son principal satellite, Charon : les deux périodes étant égales, Charon se trouve donc toujours à la verticale du même point de la surface de Pluton^{[note 3]}, et Charon paraît donc immobile dans le ciel plutonien^[55].

Albédo et Surface

Surface de Pluton, établie en 1994 à partir des observations de la caméra pour objets faibles (Faint Object Camera) de Hubble

Les variations de luminosité de Pluton témoignent d'une inégale brillance entre les différentes régions à la surface de Pluton. Pluton réfléchit la lumière solaire avec un albédo de 58% en moyenne, ce qui est une valeur élevée, (elle est de à 31% pour la Terre, et monte à 72% pour Vénus grâce à sa couche nuageuse). Le pôle Nord est particulièrement brillant, avec un albédo estimé à 80 %, le pôle sud est un peu moins lumineux, tandis que l’équateur présente une bande sombre 5 fois moins réfléchissante, et les zones intermédiaires des contrastes marqués. Les zones d’albédo élevé sont interprétées comme des parties couvertes de neige ou de glace de formation récente, non encore obscurcie par des dépôts d’impuretés, tandis que les parties sombres pourraient être des composés carbonés. La cartographie de ces zones a été affinée par l’analyse des variations lumineuses lors des passages de Charon devant Pluton, et confirmée en 1994 par les observations directes de Hubble^[56]. L'image d'ensemble, prise grâce à la caméra pour objets réduits (Fainted Objet Camera), demeure toutefois très floue, car elle n'est constituée que d'une centaine de pixels, mesurant chacun 200 km de côté^[57]. Un nouvel équipement de Hubble, l'Advanced Camera for Surveys, fournit en 2002-2003 des vues complètes de Pluton, encore floues mais montrant des modifications de coloration par rapport aux précédentes images^[35].

Les analyses par spectroscopie infrarouge ont identifié plusieurs types de glace à la surface de Pluton : glace de méthane en 1976, puis à partir de 1992, glace d’azote, la plus abondante avec une proportion de l’ordre de 98%, glace de monoxyde de carbone, glace d’eau et glace d’éthane. La température moyenne au sol est évaluée à -223 °C, avec des variations selon les zones, -213 °C pour les zones sombres et entre -238 °C et -233 °C pour les parties les plus réfléchissantes^[58].

Sur sa surface, de la glace de méthane (CH₄) et d'azote (N₂) a été détectée aux pôles par une observation dans l'infrarouge^[59], en calottes dont la taille varie selon l'éloignement de la planète par rapport au Soleil. À la date du cinq février 2010, certains spécialistes ont remarqué que la glace au pôle Nord est devenue plus brillante, alors que celle du pôle Sud s'est assombrie. Sous la croûte plutonienne se trouve vraisemblablement un manteau glacé^[60].

Au cours des dernières années, la couleur de Pluton a pris une teinte rouge de 20 à 30 % plus élevée qu'en 2000, alors qu'elle n'avait pas changé de toute la période allant de 1954 à 2000. Ce changement de teinte serait dû au méthane, composé présent sur la planète naine. L'hydrogène contenu dans le méthane, frappé par des vents solaires, libérerait le carbone constituant l'autre partie du méthane, produisant des teintes de rouge et de noir à la surface de Pluton^[61].

Masse et dimensions

La taille de Pluton (en bas à droite) comparée avec celles de Ganymède, Titan, Callisto, Io, la Lune, Europe et Triton.

Le diamètre de Pluton est l'un des paramètres physiques les moins bien connus et les plus difficiles à mesurer, et la source principale d'incertitude sur les autres paramètres dérivés, tels que la masse volumique. Sa très grande distance combinée à sa petite taille font qu'il est impossible de résoudre avec précision le disque de Pluton, et empêche donc les mesures « directes » de ses dimensions, que ce soit avec le télescope spatial Hubble ou avec les instruments terrestres dotés d'une optique adaptative. Les mesures actuelles se fondant sur les occultations d'étoile par Pluton et les occultations de Pluton par Charon ne concordent pas exactement, et les explications permettant d'expliquer ces différences dépendent des modèles utilisés pour analyser les données, notamment concernant l'atmosphère de la planète naine. La valeur et la marge d'erreur généralement retenue de 2 306 ± 20 km de diamètre incluent en fait les différences de résultat des différentes méthodes de mesure^[2].

La masse de Pluton, tout comme son diamètre, ont été largement surestimés durant les décennies suivant sa découverte. Percival Lowell espérait trouver une planète comparable à Neptune, de l'ordre de 10 fois la masse terrestre. La magnitude observée étant plus faible que prévue, on abaissa l'évaluation à une masse terrestre^[62]. Les estimations qui tablaient sur une taille comprise entre celles de Mercure et de Mars^[17] ont continuellement été revues à la baisse avec l'amélioration des instruments d'observations. En 1976, l'analyse de la lumière de Pluton fit supputer une surface glacée, donc un éclat fourni par une surface plus petite, et une masse réduite à un centième de celle de la Terre^[62]. La découverte de Charon en 1978 a permis, par application de la troisième loi de Kepler, de déterminer beaucoup plus précisément la masse totale du couple planétaire. La masse de Pluton est estimée en 2006 à 1,314×10²² kg^[2], soit 5,6 fois moins que celle de la Lune ou le cinq centième de la masse terrestre^[63]. En extrapolant cette baisse continuelle, deux astronomes facétieux sont allés jusqu'à annoncer la disparition complète de Pluton pour 1984^[64].

Compte tenu de sa masse et de son diamètre, Pluton est plus petite et moins massive que la Lune (3 476 km de diamètre) et que six des satellites naturels de Jupiter : Ganymède (5 262 km), Callisto, Io, Europe (3 122 km), de Saturne : Titan (5 150 km), et de Neptune : Triton (2 706 km)^[65].

Composition interne

Structure interne hypothétique de Pluton
1 - Azote gelé
2 - Glace d'eau
3 - Noyau rocheux

La composition interne de Pluton est pour l'instant inconnue. S'il y a eu différenciation planétaire, il pourrait y avoir un noyau rocheux. Si l'on accorde à Pluton une densité de 2, valeur approximative, la densité voisine de 1 des glaces détectées en surface doit être compensée par une masse rocheuse, de densite de l'ordre de 4 ou 5, en proportion égale aux glaces d'eau et d'éléments volatiles (azote, méthane, oxyde de carbone). Ces roches pourraient affleurer à la surface sans être visibles car dépourvues de signatures spectrales caractéristiques, ou bien être recouvertes d'un manteau de glaces^[66].

Avec une teneur en glace d'eau de l'ordre de 50% ou plus pour la masse de Pluton, la présence en profondeur d'eau liquide sous l'effet de la haute pression est envisageable dans les couches profondes, coexistant avec de la glace sous haute pression^[67].

Atmosphère

Pluton ne possède pas d'atmosphère significative. Mais d'après les lois de la physique, les glaces de sa surface doivent être en équilibre thermodynamique avec des phases gazeuses, elle serait donc entourée d'une mince enveloppe de gaz qui serait composée d'azote (N₂) à 90 %, car c'est l'élément le plus volatil parmi ceux détectés à la surface, et de monoxyde de carbone (CO) à 10 %, ainsi que des traces de méthane (CH₄)^[68].

L'atmosphère de Pluton a été découverte lors d'une occultation stellaire en 1985^[69] et confirmée par une autre occultation en 1988. Lorsqu'un objet dépourvu d'atmosphère passe devant une étoile, cette étoile d'arrière-plan disparaît de manière brutale ; dans le cas de Pluton, la luminosité de l'étoile masquée a graduellement diminué. De l'évolution de cette courbe de luminosité, une mince atmosphère de 0,15 Pa a été déterminée, soit environ 1/700 000^e de celle de la Terre. Cette atmosphère pourrait n'exister que lorsque la planète est à son périhélie et geler lorsqu'elle s'éloigne du Soleil. En effet, l'énergie du Soleil reçue par Pluton varie de 10° K entre le périhélie et l'aphélie^[70]. Lorsque Pluton s'écarte de son périhélie, une partie de son atmosphère gèle et retombe à la surface. Quand elle s'en rapproche, la température de la surface augmente et l'azote se sublime. À la manière de la sueur qui s'évapore sur la peau, cette sublimation refroidit la surface et des recherches ont montré que la température de Pluton est 10 K inférieure à ce qui était attendu (température moyenne en surface : -228 °C)^[71]. .

En 2002, une autre occultation stellaire par Pluton a été observée par plusieurs équipes dirigées par Bruno Sicardy^[72], Jim Elliot^[73] et Jay Pasachoff^[74]. De manière surprenante, la pression atmosphérique a été estimée à 0,30 Pa, bien que Pluton soit plus éloignée du Soleil qu'en 1988 et donc plus froide. L'hypothèse privilégiée à l'heure actuelle est que le pôle sud de Pluton serait sorti de l'ombre en 1987 pour la première fois depuis 120 ans et qu'un surplus d'azote aurait alors sublimé une partie de la calotte polaire sud. Cet excès d'azote devrait mettre vraisemblablement des décennies avant de se condenser à l'autre pôle, selon un phénomène cyclique^[75].

Système plutonien

Description

Pluton et trois de ses quatre satellites connus, vus par Hubble le 15 février 2006.

Les recherches d'un satellite de Pluton partaient du postulat qu'un éventuel satellite devait être beaucoup plus petit que sa planète, comme c'est le cas dans le reste du système solaire, et donc moins lumineux que Pluton. Des clichés réalisés dans les années 1950 et 1960 très surexposés par des temps de pauses longs ne donnèrent aucun résultat. La théorie de Gerard Kuiper qui proposait de voir en Pluton un ancien satellite de Neptune éjecté de son orbite, impliquait que Pluton ne pouvait probablement pas avoir de lune, ce qui n'incitait pas à sa recherche. La découverte d'un satellite près de 50 ans après celle de Pluton fut donc fortuite^[76].

Pluton possède quatre satellites naturels, le plus grand étant Charon qui fut identifié dès 1978. Deux satellites plus petits ont été découverts en 2005 et nommés Hydra et Nix (connus jusqu'en juin 2006 par leurs désignations provisoires S/2005 P 1 et S/2005 P 2)^[77]. Le dernier satellite découvert en 2011 porte le nom provisoire S/2011 P 1.

Une particularité du système plutonien est que le barycentre du couple Pluton/Charon n'est pas situé à l'intérieur du premier mais dans le vide, entre les deux corps^[78].

La distribution des satellites de Pluton est concentrée au centre du système. Potentiellement, un satellite pourrait orbiter Pluton jusqu'à 53 % du rayon de sa sphère de Hill (soit environ 6×10⁶ km) dans le sens direct et 69 % dans le sens rétrograde, mais le système plutonien est resserré dans les 3 % interne de cette zone. À titre de comparaison, Psamathée orbite Neptune à 40 % du rayon de sa sphère de Hill. Selon les termes des découvreurs de Nix et Hydra, le système plutonien est « hautement compact et largement vide »^[79].

Charon

Schéma de Pluton et ses satellites (en haut) comparés avec les plus grands plutinos : Orcus et Ixion.

Charon fut découvert en 1978^[80], lors d'une campagne d'astrométrie destinée à affiner la mesure de position de Pluton. James Christy remarqua sur la tache lumineuse des clichés de Pluton une excroissance placée différemment selon les clichés, dont l'examen révéla une périodicité d'une semaine. Christy annonça sa découverte le 7 juillet 1978 et proposa de la nommer Charon^[76].

Comparativement à Pluton, Charon est un très gros satellite (son rayon de 600 km environ est la moitié de celui de Pluton, estimé à 1170 km), et le barycentre des deux corps se trouve au-delà de la surface de Pluton (à un peu plus de deux rayons plutoniens). Il s'agit du plus grand système de ce genre dans le système solaire (certains astéroïdes binaires possèdent également ce trait, comme (617) Patrocle ; le barycentre du Soleil et de Jupiter est également situé à l'extérieur du premier) et il y est parfois fait référence comme un système binaire d'astéroïdes^[76].

Sous l'effet de marée gravitationnelle, Pluton et Charon sont tous les deux en rotation synchrone, avec une période de 6,387 jours : Charon présente toujours la même face à Pluton et Pluton la même face à Charon, un fait inhabituel dans le système solaire pour deux objets de cette taille (mais non exceptionnel, certains astéroïdes binaires possèdent cette propriété)^[76].

La découverte de Charon a permis en exploitant de 1985 à 1990 les occultations de Charon par Pluton et les transits de Charon devant Pluton de préciser la masse totale du système double et de déterminer que celle-ci était inférieure aux estimations précédentes. En fait, elle a amené les astronomes à revoir totalement leur estimation de la taille de Pluton. À l'origine, on pensait que Pluton était plus grande que Mercure (on lui donnait environ 6 800 km de diamètre) et plus petite que Mars, mais les calculs étaient fondés sur le fait qu'un seul objet était observé (on ne distinguait pas Charon de Pluton). Une fois le système double découvert, l'estimation de la taille de Pluton a été revue à la baisse. Il est possible aujourd'hui, avec des instruments modernes, de distinguer le disque de Pluton séparément de celui de Charon (voir l'image établie par Hubble en 2006)^[76].

En conséquence, l'albédo de Pluton a dû aussi être recalculé et revu à la hausse : la planète étant bien plus petite que les premières estimations, sa capacité à réfléchir la lumière devait être plus importante que ce que l'on pensait. Les estimations actuelles lui donnent une valeur moyenne de 58%, tandis que Charon avec 36% apparaît beaucoup plus sombre. Charon n'a pas retenu le méthane, seule de la glace d'eau et d'ammoniac y a été détectés^[60].

Hydra et Nix

Diagramme du système plutonien.

Pluton possède deux autres satellites, qui furent photographiés le 15 mai 2005 lors d'une campagne d'observation du télescope spatial Hubble, temporairement nommés S/2005 P 1 et S/2005 P 2 puis baptisés Hydra (du nom du monstre l'Hydre) et Nix (de Nyx, mère de Charon)^[81]. Ils ont été repérés par une équipe du Southwest Research Institute sur des clichés pris pour préparer la nouvelle mission d'exploration lointaine du système solaire, New Horizons. Leur existence fut confirmée par l'examen de photographies prises par Hubble et datant du 14 juin 2002^[77].

D'après les premières observations, le demi-grand axe de l'orbite de Nix mesure 49 000 km avec une période de 24,9 jours et celui de l'orbite d'Hydra 65 000 km avec une période de 38,2 jours. Les deux satellites semblent orbiter dans le sens prograde dans le même plan que Charon et sont deux et trois fois plus éloignés que celui-ci, avec une résonance orbitale proche de (mais pas égale à) 4:1 et 6:1^[77].

Les observations se poursuivent pour déterminer les caractéristiques des deux astres. Hydra est parfois plus brillant que Nix, soit parce qu'il est plus grand, soit parce que la luminosité de sa surface varie suivant les zones. Le spectre des satellites est similaire à celui de Charon, ce qui suggère un albédo similaire d'environ 0,35 ; dans ce cas, le diamètre de Nix est estimé à 46 km et celui de Hydra à 61 km. Une limite supérieure peut être déterminée en supposant un albédo de 0,04 similaire aux objets les plus sombres de la ceinture de Kuiper : 137 ± 11 km pour Nix et 167 ± 10 km pour Hydra. Dans ce cas, la masse des satellites serait 0,3 % de celle de Charon (0,03 % de la masse de Pluton)^[82].

Autres objets orbitant autour de Pluton

Les observations effectuées par le télescope spatial Hubble ont placé des limites quant à l'existence de satellites additionnels dans le système plutonien. Avec une probabilité de 90 %, aucune lune de plus de 12 km et d'un albédo similaire à celui de Charon (soit 0,38) n'existe dans une zone de 5" autour de Pluton. Pour un albédo plus sombre de 0,041, cette limite est portée à 37 km. Avec une probabilité de 50 %, cette limite descend à 8 km^[83].

Dans un article publié dans la revue Nature^[79], une équipe de scientifiques américains conduite par S. A. Stern (du Southwest Research Institute) a annoncé que Nix et Hydra se sont très probablement formées lors du même impact géant qui a donné naissance à Charon. L'équipe a émis l'hypothèse que d'autres grands objets binaires de la ceinture de Kuiper pourraient également abriter de petites lunes et que celles qui gravitent autour de Pluton pourraient générer des anneaux de débris autour de la planète naine. À l'heure actuelle, les données provenant de la caméra de prospection avancée d'Hubble suggèrent qu'aucun anneau n'existe. Dans le cas contraire, il s'agit d'un anneau ténu comme ceux de Jupiter ou de moins de 1 000 km de large^[84].

Lors d'une nouvelle campagne d'observation réalisée à l'aide du télescope spatial Hubble, une nouvelle lune fut observée, le 28 juin 2011. Cette observation a été confirmée par d'autres le 3 et le 18 juillet. La petite lune, provisoirement dénommée P4 et dont la taille doit être comprise entre 13 et 34 kilomètres, a une orbite inscrite entre celles de Nix et d'Hydra^[85].

Théories sur l'origine de Pluton

Des théories ont été formulées pour expliquer la petite taille de Pluton, similaire à celle de satellites de la géante voisine Neptune. Le mathématicien britannique Raymond Lyttleton a envisagé en 1936 que Pluton et Triton tournaient ensemble autour de Neptune, et qu’une perturbation gravitationnelle avait éjecté Pluton hors de l’orbite planétaire, tandis qu’elle replaçait Triton sur une orbite rétrograde^[86]. Cette idée eut cours assez longtemps, et Gerard Kuiper l'a reprise en voyant dans Pluton un ancien satellite de Neptune ; Triton semble en outre partager certaines caractéristiques atmosphériques et géologiques avec Pluton. Même si ces points ont été évoqués pour soutenir une origine neptunienne de Pluton, le consensus actuel est que ce dernier n'a jamais fait partie des satellites de Neptune. Actuellement, l'orbite rétrograde de Triton laisse penser que celui-ci était à l'origine un objet de la ceinture de Kuiper sur une orbite solaire et qu’il fut capturé par Neptune^[87].

Selon le scénario de formation du système solaire actuellement le mieux admis (modèle de Nice), Pluton et Charon se sont formés par accrétion en même temps que d'autres corps, et ont été ensuite chassés au-delà de l'orbite de Neptune par l'influence gravitationnelle des planètes géantes. Alors qu'une partie de ces corps étaient éjectés aux confins du système solaire, ceux qui subsistaient forment la ceinture de Kuiper. Les corps qui orbitaient en résonance 2:3 avec Neptune gardaient une orbite stable, parmi ceux-ci Pluton^[88]. Le couple Pluton - Charon se serait formé par capture mutuelle lors d'un frôlement ou d'une collision entre ces deux objets, et Nix et Hydra seraient peut-être des vestiges de cette rencontre^[89].

Notes et références

Notes

Références

Annexes

Articles connexes

• (136199) Éris
• Ceinture de Kuiper
• Éclipse solaire sur Pluton
• Objet transneptunien
• Planète
• Plutino
• Plutoïde
• Colonisation de Pluton

Bibliographie

 : Ouvrage utilisé comme source pour la rédaction de cet article

• Thérèse Encrenaz, Jean-Pierre Bibring, Michel Blanc, Maria Antonietta Barucci, Françoise Roque, Philippe Zarka, Le système solaire, CNRS Éditions - EDP Sciences, 2003, (ISBN 978-2-86883-643-4)
• Vladimir Kourganoff, Les mystères de Pluton, 2004, Burillier – Vannes, 135 pages, (ISBN 978-2-912616-19-7)
• Fabrice Thomas, La dynamique résonnante dans le système solaire, application au mouvement des objets transneptuniens, 1998, thèse
• (en) Alan Stern and Jacqueline Mitton, Pluto and Charon, ice worlds on the ragged edge of the solar system, Editions Wienheim, (Grande-Bretagne), 2005, 244 pages, (ISBN 978-3-527-40556-5)
• (en) David Weintraub, Is Pluto a planet?, 2007, Princeton USA, Oxford (GB), réédition en 2009, 266 pages, (ISBN 978-0-691-13846-6)
• Alain Doressoundiram et Emmanuel Lellouch, Aux Confins du système solaire [détail des éditions] 
• Charles Frankel, Dernières nouvelles des planètes, Seuil, 2009, 300 p. (ISBN 978-2-02-096549-1) 

Liens externes

• (en) Caractéristiques et simulation d'orbite sur la page Small-Body Database du JPL [java]
• (fr) Caractéristiques de Pluton sur le site de l'IMCCE
• (en) Les dernières photos de Hubble publiées en février 2010

v · Charon · Nix · S/2011 (134340) 1 · Hydra

v · d · m Le Système solaire
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v · Plutoïdes (planètes naines transneptuniens) et Plutoïdes possibles
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Objets épars	Éris · Sedna · 2002 TC302 · 2004 XR190 ·
Voir aussi Triton et la liste d'objets célestes du système solaire, classés par taille, par masse, ou par distance au Soleil · la galerie.  * Classification MPC usuelle. Certains voient en Sedna un objet du nuage d'Oort.

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