Le cas de Uranus

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Uranus

Photographie de Uranus prise lors du passage de Voyager 2, en 1986.
Caractéristiques orbitales (Époque J2000.0)
Demi-grand axe	2 876 679 082 km (19,22941195 ua)
Aphélie	3 004 419 704 km (20,08330526 ua)
Périhélie	2 748 938 461 km (18,37551863 ua)
Circonférence orbitale	17 620 000 000 km
Excentricité	0,044405586
Période de révolution	30 799,095 d (84.323326 ans)
Période synodique	369,66 d
Vitesse orbitale moyenne	6,81 km/s
Vitesse orbitale maximale	7,128 ? km/s
Vitesse orbitale minimale	6,486 ? km/s
Inclinaison	0,772556°
Nœud ascendant	73,989821°
Argument du périhélie	96,541318°
Satellites	27
Caractéristiques physiques
Rayon équatorial	25 559 ± 4 km (4,007 Terres)
Rayon polaire	24 973 ± 20 km (3,929 Terres)
Périmètre équatorial	160 592 km
Superficie	8,1156×109 km² (15,91 Terres)
Volume	6,833×1013 km³ (63,086 Terres)
Masse	8,6810 ± 0,0013 ×1025 kg (14,536 Terres)
Masse volumique moyenne	1 270 kg/m³
Gravité à la surface	8,69 m/s² (0,886 g)
Vitesse de libération	21,3 km/s
Période de rotation (jour sidéral)	-0,71833 d (17 h 14 min 24 s (rétrograde))
Vitesse de rotation (à l’équateur)	9 320 km/h
Inclinaison de l’axe	97,77°
Albédo moyen	0,51
Température de surface	Min. : Moy. : 53 K=-205 °C à 0,1 bar; 76 K à 1 bar Max. :
Caractéristiques de l’atmosphère
Pression atmosphérique	1,20×105 Pa
Dihydrogène H2	83 %
Hélium He	15 %
Méthane CH4	2,3 %
Ammoniac NH3	0,01%
Éthane C2H6	0,000 25%
Acétylène C2H2	0,000 01%
Monoxyde de carbone CO	traces
Sulfure d’hydrogène H2S	traces
Découverte
Découvreur	William Herschel
Date	13 mars 1781

Uranus est une géante gazeuse et la 7^e planète du système solaire. C’est la 3^e par la taille et la 4^e plus massive. Elle doit son nom à la divinité grecque du ciel, Uranus (Οὐρανός), le père de Cronos (Saturne) et grand-père de Zeus (Jupiter). Uranus est la première planète découverte à l’époque moderne. Bien que visible à l’œil nu comme les 5 planètes classiques, son caractère planétaire ne fut jamais identifié en raison de son faible éclat^[1], étant à la limite de visibilité (magnitude comprise entre 5,3 et 5,7 pour les oppositions et ~6 sinon). William Herschel annonce sa découverte le 13 mars 1781, élargissant les frontières connues du système solaire pour la première fois à l’époque moderne. Uranus est la première planète découverte à l’aide d’un télescope.

Uranus et Neptune ont des compositions internes et atmosphériques différentes de celles des deux plus grandes géantes gazeuses : Jupiter et Saturne. Les astronomes les placent donc parfois dans une catégorie différente, celle des géantes glacées ou des sous-géantes.
L’atmosphère d’Uranus, bien que composée principalement d’hydrogène et d’hélium, contient une proportion plus importante de glaces d’eau, d’ammoniac et de méthane, ainsi que les traces habituelles d’hydrocarbures. Uranus est la planète du système solaire dont l’atmosphère est la plus froide, sa température minimale étant de 49 K (-224 °C), à la tropopause (vers 56 km d'altitude et 0,1 bar). Elle a une structure nuageuse complexe : les nuages des couches les plus basses seraient constitués d’eau, ceux des couches les plus élevées, de méthane^[2].

À l’instar des autres géantes gazeuses, Uranus a un système d’anneaux, une magnétosphère et de nombreux satellites naturels. Le système uranien est unique dans le système solaire car son axe de rotation est pratiquement dans son plan de révolution autour du Soleil ; les pôles nord et sud sont situés où les autres planètes ont leur équateur^[3]. En 1986, les images de Voyager 2 ont montré Uranus comme une planète sans caractéristique particulière en lumière visible, sans couches nuageuses ou tempêtes existant sur les autres planètes gazeuses. Cette visite de la sonde se produisit près du solstice, l'hémisphère éclairé était alors principalement son hémisphère austral.
Cependant, les observateurs terrestres ainsi que le télescope spatial Hubble, ont depuis constaté des signes de changements saisonniers et une augmentation de l’activité météorologique ces dernières années^[4], Uranus approchant alors de son équinoxe, qu'il a atteint en décembre 2007^[5]. Le vent à la surface d’Uranus peut atteindre une vitesse de 250 m/s^[6].

Découverte

Uranus fut observée à de nombreuses occasions avant que son caractère planétaire ne soit formellement identifié : elle est en général prise pour une étoile. La plus ancienne mention date de 1690 lorsque John Flamsteed l’observe au moins six fois et la catalogue sous le nom de 34 Tauri. L’astronome français Pierre Charles Le Monnier observe Uranus au moins douze fois entre 1750 et 1769^[7], notamment durant quatre nuits consécutives.

Sir William Herschel observe la planète le 13 mars 1781 dans le jardin de sa maison du 19 New King Street à Bath dans le Somerset en Angleterre (désormais le Musée d'astronomie Herschel)^[8] mais n’annonce la découverte que le 26 avril 1781 en tant que comète^[9]. Herschel avait entrepris une série de mesures de la parallaxe des étoiles fixes en utilisant un télescope de sa conception^[10].

Il écrit dans son journal : « dans le quartile près de ζ Tauri … soit [une] étoile nébuleuse soit peut-être une comète^{[Note 1]}. » Le 17 mars, il note, « j’ai regardé la comète ou étoile nébuleuse et, comme elle avait changé de place, j’en ai déduit que c’était une comète et non une nébuleuse^{[Note 2]}. » Lorsqu’il présente sa découverte à la Royal Society, il continue d’affirmer que c’est une comète mais la compare aussi implicitement à une planète^{[Note 3]}:

« The power I had on when I first saw the comet was 227. From experience I know that the diameters of the fixed stars are not proportionally magnified with higher powers, as planets are; therefore I now put the powers at 460 and 932, and found that the diameter of the comet increased in proportion to the power, as it ought to be, on the supposition of its not being a fixed star, while the diameters of the stars to which I compared it were not increased in the same ratio. Moreover, the comet being magnified much beyond what its light would admit of, appeared hazy and ill-defined with these great powers, while the stars preserved that lustre and distinctness which from many thousand observations I knew they would retain. The sequel has shown that my surmises were well-founded, this proving to be the Comet we have lately observed. »

Herschel avertit l’astronome royal, Nevil Maskelyne, de sa découverte et reçut une réponse embarrassée de sa part le 23 avril : « Je ne sais pas comment l’appeler. Il est aussi probable que ce soit une planète située sur une orbite autour du Soleil presque circulaire, que ce soit une comète de trajectoire très elliptique. Je n’ai pas observé pour l’instant de chevelure ou de queue^{[Note 4]}. »

Tandis qu’Herschel continue par précaution à appeler ce nouvel objet une comète, d’autres astronomes soupçonnent sa véritable nature. L’astronome russe Anders Johan Lexell estime sa distance à dix-huit fois la distance Terre-Soleil. Aucune comète ayant un périhélie supérieur à quatre fois la distance Terre-Soleil n’a alors jamais été observée^[11]. L’astronome berlinois Johann Elert Bode pense que la découverte d’Herschel est « une étoile mobile qui peut être considérée comme un type d’objet planétaire jusqu’alors inconnu orbitant au-delà de l’orbite de Saturne^{[Note 5]} ». Bode conclut que son orbite presque circulaire ressemble davantage à celle d’une planète que d’une comète^[12].

L’objet est bientôt unanimement accepté en tant que planète. En 1783, Herschel lui-même le reconnait auprès du président de la Royal Society Joseph Banks : « Selon les observations des plus éminents astronomes européens, il apparait que la nouvelle étoile que j’ai eu l’honneur de leur faire découvrir en mars 1781, est une planète principale du système solaire. »^{[Note 6],[13]} Le roi Georges III récompense Herschel de sa découverte en lui attribuant une rente annuelle de £200 à condition qu’il s’installe à Windsor afin que la famille royale puisse regarder à travers ses télescopes^[14].

Orbite et rotation

Image d’Uranus prise avec le Hubble Space Telescope.
On distingue les nuages, les anneaux et plusieurs lunes.

La période de révolution d’Uranus autour du Soleil est de 84 années terrestres. Sa distance moyenne au Soleil est d’environ 3 milliards de kilomètres. L’intensité du flux solaire sur Uranus est d’environ 1/400^e celui reçu par la Terre^[15].

Les paramètres orbitaux d’Uranus furent calculés pour la première fois par Pierre-Simon Laplace en 1783^[11]. Avec le temps, des différences apparurent entre les orbites prédite et calculée. En 1841, John Couch Adams émit l’hypothèse qu’une planète inconnue serait la cause des perturbations constatées. En 1845, Urbain Le Verrier commença indépendamment ses travaux afin d’expliquer l’orbite d’Uranus. Le 23 septembre 1846, Johann Gottfried Galle identifia une nouvelle planète (qui sera plus tard nommée Neptune) à une position très proche de celle prédite par Le Verrier^[16].

La période de rotation des couches intérieures d’Uranus est de 17 heures et 14 minutes. Cependant, la haute atmosphère d’Uranus est le théâtre de vents très violents dans la direction de rotation, comme pour toutes les géantes gazeuses. Par conséquent, à certaines latitudes, par exemple vers 60° de latitude, des parties visibles de son atmosphère se déplacent beaucoup plus vite et effectuent une rotation complète en un peu moins de 14 heures^[17].

Caractéristiques physiques

Composition interne

Uranus est une planète géante gazeuse, comme Jupiter, Saturne et Neptune. Même si la composition interne d’Uranus est peu connue, il est certain que sa structure est différente de celle de Jupiter et Saturne. En théorie, elle serait composée d’un noyau solide de silicates et de fer d’environ 7 500 km de diamètre, entouré d’un manteau composé de nuages d’hydrogène moléculaire, d’hélium, de méthane et d’ammoniac sur une épaisseur de 10 000 km, puis d’une couche superficielle d’hydrogène et d’hélium liquide, épaisse d’environ 7 600 km qui se fond graduellement dans l’atmosphère. À la différence de Jupiter et Saturne, Uranus n’est pas assez massive pour que l’hydrogène existe à l’état métallique autour du noyau.

Cependant, les données recueillies par la sonde Voyager 2 ainsi que certaines expériences de laboratoire remettent en question l’existence d’un noyau solide.^{[réf. souhaitée]} Il est possible au contraire que les matériaux soient plus ou moins uniformément distribués à l’intérieur d’Uranus.

Atmosphère

L’atmosphère d’Uranus est composée principalement de dihydrogène (H₂) à 83 %, d’hélium (He) à 15 %, de méthane (CH₄) et d’ammoniac (NH₃). Cette atmosphère occuperait près de 30 % du rayon de la planète, soit 7 500 km.

La couleur bleu-vert d’Uranus est due à la présence de méthane dans l’atmosphère, qui absorbe principalement le rouge et l’infrarouge.

Des nuages ont été détectés en haute altitude et se déplaceraient d’est en ouest entre 40 et 160 m/s. Des mesures ont révélé également des vents soufflant à 100 km/h dans le sens contraire au niveau de l’équateur.

Anneaux planétaires

Les anneaux d’Uranus. Seuls 9 anneaux sont visibles sur cette photo. Le plus marqué est ε. Photo prise par Voyager 2.

Uranus possède au moins 13 anneaux principaux. Cinq ont été découverts en 1977 grâce aux observations d’occultations d’étoiles par Uranus. Six autres furent observés par Voyager 2 entre 1985 et 1986. Les deux derniers furent découverts grâce au télescope spatial Hubble en décembre 2005.

Les anneaux d’Uranus sont fins et ont des bords nets ; entre eux s’étend un milieu diffus. Les particules qui les composent ont des dimensions de l’ordre du centimètre et un albédo moyen de 0,15 qui les rend très peu visibles.

Si les 10 premiers anneaux d’Uranus sont fins et circulaires, le dernier, l’anneau ε, est plus excentrique et plus large, de 20 km au point le plus proche de la planète à 98 km au point le plus éloigné. Il est encadré par deux satellites « bergers », Cordélia et Desdémone. Les deux derniers anneaux sont très nettement plus éloignés, l’anneau μ se situant deux fois plus loin qu’ε, par exemple.

Inclinaison de l’axe

Uranus en fausses couleurs, accompagnée de quelques-uns de ses satellites.
Les régions en vert et bleu laissent facilement pénétrer les rayons du Soleil à travers l’atmosphère. Les régions en rouge et en orange indiquent la présence de nuages en haute altitude.

À la différence de toutes les autres planètes du système solaire, Uranus est très fortement inclinée sur son axe puisque celui-ci est quasiment parallèle à son plan orbital. Elle roule pour ainsi dire sur son orbite et présente alternativement son pôle nord, puis son pôle sud au Soleil (même si la désignation de nord ou de sud est assez délicate dans ce cas précis).

Au moment du survol de la planète par Voyager 2 en 1986, le pôle sud d’Uranus était orienté presque directement vers le Soleil. On peut dire qu’Uranus a une inclinaison légèrement supérieure à 90° ou bien que son axe a une inclinaison légèrement inférieure à 90° et qu’elle tourne alors sur elle-même dans le sens rétrograde. Ces deux descriptions sont équivalentes d’un point de vue physique mais il en résulte une définition différente du pôle nord et du pôle sud.

Une des conséquences de cette orientation est que les régions polaires reçoivent plus d’énergie du Soleil que les régions équatoriales. Néanmoins, Uranus reste plus chaude à son équateur qu’à ses pôles. Le mécanisme qui en est la cause reste encore inconnu. Aucune théorie n’a à l’heure actuelle réussi à expliquer cette inclinaison sans faire appel à une collision cataclysmique avec un autre corps, pendant sa formation peut-être. Il semblerait également que l’importante inclinaison d’Uranus entraine des variations saisonnières extrêmes dans son climat.

Champ magnétique

Le champ magnétique d’Uranus est à peu près de la même intensité que le champ magnétique terrestre. En revanche, il est incliné de 59° par rapport à son axe de rotation. Il trouve probablement son origine, comme celui de toutes les autres planètes, dans un effet dynamo lié à la rotation rapide des couches internes fluides. Il est possible que cette inclinaison résulte de la combinaison d’un champ magnétique « fossile », résidu de la nébuleuse solaire à partir de laquelle s’est formé le système solaire, et de l’effet dynamo actuel.

Lunes d’Uranus

Uranus possède au moins 27 satellites naturels. Les deux premiers furent découverts par William Herschel le 13 mars 1787 et nommés Titania et Obéron par son fils, d’après des personnages du « Songe d’une nuit d’été » de William Shakespeare. La plupart des autres satellites naturels connus d'Uranus, découverts par la suite, prirent également le nom de personnages créés par le dramaturge. Deux autres lunes, Ariel et Umbriel, furent découvertes par William Lassell en 1851. Gerard Kuiper découvrit Miranda en 1948. Dix autres lunes furent découvertes lors du passage de Voyager 2 en 1986 et une autre, Perdita, fut découverte treize ans plus tard parmi les photographies reçues. Onze autres lunes ont été identifiées depuis, en utilisant des télescopes terrestres.

Histoire

Uranus fut la première planète du système solaire à ne pas avoir été connue dès l’Antiquité, car elle est trop lointaine pour pouvoir être facilement vue à l’œil nu, même si elle fut observée à plusieurs occasions, mais toujours confondue avec une étoile (John Flamsteed la catalogua dès 1690).

Le méthane présent dans son atmosphère donne à Uranus une couleur bleu-verdâtre.

William Herschel la découvre le 13 mars 1781 lors d’une recherche systématique d’étoiles doubles à l’aide d’un télescope. À la frontière des constellations des Gémeaux et du Taureau, Herschel remarque au milieu des points-étoiles une petite tache semblant sortir de derrière la planète Saturne. Il change alors successivement d’oculaire, passant du grossissement 227 à 460. Il note alors que la petite tache double de taille ! Il change à nouveau d’oculaire pour un grossissement de 932, 1 536 et 2 010, et là encore, l’objet double de taille à chaque fois, tandis que les étoiles tout autour, très éloignées, ne varient pas en taille et restent de simples points brillants. Cela ne peut être une étoile ; il écrit donc dans son journal l’observation d’un curieux objet, une nébuleuse ou une comète. Il nota la position de l’astre, puis quelques jours après reprit son observation. La petite tache avait bougé, ça ne pouvait être une nébuleuse, donc c’était une comète. Il décide alors de prévenir la communauté scientifique de sa découverte et envoie un courrier avec les détails de sa comète au directeur de l’observatoire d’Oxford, Thomas Hornsby. Il informe également l’astronome royal Nevil Maskelyne de l’observatoire de Greenwich. Celui-ci, après avoir observé la comète et constaté qu’elle se comportait différemment des autres, conseille à Herschel d’écrire à la Royal Society.

La comète n’avait pas de queue, ce qui commença à faire douter de sa vraie nature. Maskelyne se demande alors si cette comète ne serait pas une planète.

Les astronomes commencent alors le calcul de la trajectoire de la comète, en prenant le modèle classique des orbites de comètes : une parabole, mais celle-ci ne semblait pas vouloir se conformer au modèle prévu. Charles Messier remarque alors qu’avec son aspect de disque, elle ressemblait plus à Jupiter qu’aux 18 autres comètes qu’il avait observé. L’astronome Russe Anders Lexell tenta lui de calculer l’orbite en appliquant le modèle d’une planète. À sa grande surprise, cette trajectoire semblait correspondre et convainquit les autres astronomes sur la nature de l’objet : une planète et non une comète.

Herschel la nomme alors Georgium Sidus (« la planète de George ») en l’honneur du roi George III, tandis que les astronomes français l’appellent simplement Herschel. Le nom « Uranus », soit le père de Saturne dans la mythologie romaine, fut proposé par l’astronome allemand Johann Elert Bode dès 1781^[18] de façon conforme aux autres planètes, mais il ne devint commun qu’après 1850.

La sonde Voyager 2 est le seul engin spatial jamais envoyé vers Uranus. Elle l’approcha au plus près le 24 janvier 1986.

Observation

La magnitude apparente d’Uranus évolue entre +5,3 et +6,0. Ainsi, avec un ciel parfaitement sombre et dégagé, il est possible de la voir à l’œil nu, comme une étoile très peu lumineuse. C'est d'ailleurs en cataloguant des étoiles allant jusqu'à la limite de visibilité à l'œil nu que John Flamsteed l'inventoria plusieurs fois, chaque fois sous des appellations différentes dont la plus connue est 34 Tauri. Depuis la Terre, la planète possède un diamètre angulaire de 4 secondes d’arc et est facilement distinguable avec des jumelles. Avec un télescope de plus de 30 cm de diamètre, Uranus apparaît comme un disque bleu pâle dont l’obscurcissement du limbe est visible. Les plus grands satellites, Titania et Obéron peuvent être perçus.

Jusqu'en 2007, Uranus s'était approché de son équinoxe et une activité nuageuse s’y développa. La majeure partie de cette activité ne peut pas être perçue autrement qu’avec le télescope spatial Hubble ou de grands télescopes munis d’optique adaptative. Cependant, certains phénomènes pourraient être suffisamment brillants pour être vus à l’aide de télescopes amateurs suffisamment grands. En 2006, une tache sombre a été détectée dans les longueurs d’onde visibles par Hubble.

Annexes

Articles connexes

• Anneaux d’Uranus
• Satellites naturels d’Uranus

Liens externes

• (fr) Caractéristiques d'Uranus sur le site de l'IMCCE
• (fr) Le Système Solaire - Uranus
• (fr) Uranus - pioneer-astro

Notes

Références

• Portail de l’astronomie