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Neptune, le dieu de la mer

Introduction (I)

En 1846, le polytechnicien français Urbain Le Verrier[1] émit l'hypothèse que "les inégalités d'Uranus [étaient provoquées] par une planète encore ignorée [...] située à une distance moyenne double de celle d'Uranus". Les mathématiciens s'étonnèrent en effet que les tables d'éphémérides d'Uranus différaient jusqu'à 2' d'arc avec la position réelle de la planète. Mais presque personne nevoulut y croire. Présumant une perturbation engendrée par une nouvelle planète, John Adams, étudiant de Cambridge en Angleterre et Urbain Le Verrier entreprirent chacun de leur côté de rechercher cette planète par le calcul. Tous deux annoncèrent l'existence de cette planète et indiquèrent sa position.

A gauche, Neptune photographiée en lumière blanche le 20 août 1989 par Voyager 2 à 4.4 millions de kilomètre de distance. Notez la Grande Tache Sombre par 22° Sud. Document NASA/JPL. A droite, une animation créée à partir de 4 images infrarouges prises entre le 25 et le 26 juin 2011 sur une période 11 heures par le Télescope Spatial Hubble et assemblées par Sean Walker de Sky & Telescope.  

Dans une lettre[2] adressée à Johann Gottfried Galle, assistant à l’Observatoire de Berlin, Le Verrier écrit : “Actuellement, je cherche un observateur persévérant, prêt à sacrifier une partie de son temps à l’examen d’une région du ciel où il y a probablement une nouvelle planète à découvrir. Je suis parvenu à cette conclusion à partir de notre théorie sur Uranus ... On ne peut rendre compte correctement des observations d’Uranus sans introduire l’action d’une nouvelle planète jusqu’alors inconnue ... Dirigez votre télescope vers le point de l’écliptique situé dans la constellation du Verseau, à 326 degrés de longitude, et vous trouverez, à moins d’un degré de ce point, une nouvelle planète ressemblant à une étoile de magnitude égale à neuf environ, et ayant la forme d’un disque perceptible”.

Précédé par sa réputation, seul Le Verrier fut de suite pris au sérieux tandis que le travail de John Adams se perdit dans les arcanes des contrôles successifs. Le temps ne plaidant pas sa cause, son travail sera rapidement mis hors course.

Et de fait, pendant la nuit du 23 septembre 1846, Johann Galle et Heinrich d'Arrest alors étudiant en astronomie se mirent à la recherche de cette nouvelle planète au moyen d'une réplique de la première lunette équatoriale de 244 mm f/17.6 fabriquée en Allemagne par Merz et Malher, la dernière entreprise dirigée par Joseph von Fraunhofer (l'inventeur de l'équatorial de Dorpa). Moins d’une heure après le début de leur observation, les deux observateurs remarquèrent à 52' de la position déterminée par Le Verrier, un astre de 8eme magnitude qui ne figurait pas sur les cartes. Ils attendirent la nuit suivante pour vérifier leur observation et découvrirent que l’astre s’était bien déplacé devant le fond des étoiles. Le surlendemain Galle écrivit à Le Verrier : “Monsieur, la planète dont vous avez signalé la position existe réellement”.

Images amateurs

A gauche, Neptune et son satellite Triton de magnitude 13.5 photographiés le 19 septembre 2015 par Damian Peach avec un télescope Celestron C14HD équipé d'une caméra ASI 120MM. Temps d'intégration total de 50 minutes sous filtre RG610. C'est à ce jour l'image de Neptune la plus détaillée obtenue par un amateur. A droite, à titre de comparaison, une image réalisée avec le télescope 2Mass de 1.3 m de la NOAO/Caltech.

Bien que Le Verrier espérait qu'elle porterait son nom, la communauté scientifique s'accorda pour conserver les noms mythologiques ; la "planète Herschel" sera baptisée Neptune.

Mais on peut dire avec certitude que Neptune fut virtuellement observée par Galilée à partir du 20 janvier 1613. En effet, des simulations informatiques[3] de l'observation de Jupiter qu'il fit ces jours là témoignent que Neptune se trouvait à moins d'un degré de Jupiter. Si l'on retrouve bien dans les carnets de Galilée[4] la consignation d'un objet brillant dans une position conforme aux simulations, il crut cependant observer une "étoile fixe" sans y porter plus d'attention. Son esprit était concentré sur Jupiter et il n'était vraisemblablement pas "préparé" pour rechercher Neptune. C'est un phénomène sur lequel nous reviendrons dans un autre dossier consacré à la philosophie des sciences et au but de la recherche[5].

Paramètres physiques

Située à 4.5 milliards de km du Soleil soit 30 UA, Neptune boucle son orbite en 164 ans et 280 jours, à la vitesse de 5.4 km/s. Depuis sa découverte, elle n'a donc accomplit que sa première révolution qu'elle boucla en 2011 !

Moitié plus éloignée du Soleil qu’Uranus, mais tout aussi volumineux, Neptune est un petit globe de 2.9" d'arc présentant un diamètre équatorial de 49520 km. Cette planète est 4 fois plus grande que la Terre mais 60 fois plus volumineuse avec une masse 17 fois supérieure, équivalent à 1.024x1026 kg. Elle est inclinée de 28°31’ sur le plan orbital qui est quasi circulaire (excentricité de 0.97%) et légèrement incliné de 1°47' sur l'écliptique.

Neptune tourne sur elle-même en 16h 6.7 min et présente en surface, c'est-à-dire au sommet de l'atmosphère, une accélération de la pesanteur égale à 11 m/s2, 12% plus élevée que celle que nous subissons en bordure de mer.

D'une magnitude moyenne de 7.84 Neptune est invisible à l'oeil nu et nécessite un télescope d'au moins 90 mm d'ouverture à fort grossissement et un atlas pour être localisée sans erreur et ne pas la confondre parmi les étoiles. Son albedo est de 0.41, plus faible que celui-ci d'Uranus.

Le 25 août 1989, dans le cadre du programme "Grand Tour" de la NASA, Neptune fut survolée à 4828 km d'altitude par la sonde spatiale Voyager 2 après avoir successivement visité Saturne (1981) et Uranus (1986) avec le succès que l'on sait. Son exploration a considérablement fait progresser la planétologie.

Son atmosphère et ses nuages

 Avec une densité moyenne de 1.5, Neptune est légèrement plus dense qu'Uranus (1.29) et est composé à 85% d'hydrogène, 13% d'hélium et 2% de méthane. Son noyau représente 1.2 fois la masse de la terre. Jusqu'au deux tiers de son rayon, il est vraisemblablement constitué d'un mélange de matériaux lourds en fusion comprenant du fer, de l'eau, de l'ammoniaque et du méthane liquide. Le tiers supérieur est constitué d'une manteau d'hydrogène moléculaire, d'hélium, d'eau et de méthane.

Selon E.D.Miner du JPL,  la couche la plus élevée contiendrait des hydrocarbures noyés dans une brume omniprésente. Comme sur Uranus, le méthane absorbe sélectivement le rayonnement rouge émit par le Soleil, réfléchissant la lumière bleue qui donne cette couleur caractéristique à Neptune.

Neptune présente peu de détails mis à part quelques beaux cirrus de méthane. Leur structure étirée, les trains d'ondes associés et la présence de quelques taches sombres font penser que des ondes atmosphériques jouent un rôle majeur dans l'aspect des nuages. Les couleurs sont naturelles. Les nuages de gauche ont été photographiés en 1989 par Voyager 2 et se situent à 29° de latitude Nord, ceux du centre par -20° de latitude Sud, près de la Grande Tache Sombre. La résolution est de 11 km/pixel. Les nuages de gauche s'étendent sur 50 à 200 kilometers et portent une ombre de 30 à 50 km d elongueur. On en déduit qu'ils se situent à quelque 50 km au-dessus des couches nuageuses bleutées. A droite, un compositage de deux images prises en lumière blanche et sous filtre vert par Voyager 2 montrant la Grand Tache Sombre et de petits nuages clairs appelés "Scotter". Plus bas, la "Tache Sombre 2" présentant un noyau clair. Toutes ces formations se déplacent à des vitresses différentes et peuvent occasionnellement se rapprocher les unes des autres comme à l'époque où fut prise cette photographie. Documents NASA/JPL.

L'activité de son atmosphère se rapproche de celle de Jupiter. La sonde spatiale Voyager 2 a mis en évidence de nombreuses formations nuageuses se déplaçant à grandes vitesses dans la haute atmosphère. Certains vents soufflent à 2400 km/h ! Ces courants sont les plus rapides du système solaire. Les nuages de méthane qu'ils entraînent sont allongés comme nos cirrus ou ramassés sous forme de taches claires.

En 1989, Voyager 2 découvrit une Grande tache sombre (GDS) vers -20° de latitude de la taille de la Terre suivie par une plus petite baptisée “Scooter” (DS 2) dont le coeur était plus brillant autour desquelles soufflaient des vents à 2000 km/h ! On pense que les Scooter étaient en fait des plumes s'élevant au-dessus de nuages plus profonds, un peu à l'image des cirrus qui coiffent nos plus gros cumulonimbus.

La GDS permit d'estimer la vitesse des courants atmosphérique. Elle effectuait le tour de la planète en 16 heures à une vitesse de 1260 km/h. Il s’agissait d’une formation anticyclonique qui accusait une rotation propre sur elle-même à la vitesse de 650 km/h, évoluant bien plus rapidement que nos formations tropicales.

Cinq ans plus tard, en 1994 ces structures atmosphériques avaient disparues.  Les chercheurs du JPL et de MIT qui étudièrent la planète au moyen du Télescope Spatial Hubble n’observaient plus qu’un disque pratiquement sans détails. L’atmosphère de Neptune subit des changements importants en l’espace de quelques mois, voire même en l’espace d’une semaine.

La Grande Tache Sombre (GDS) anticyclonique photographiée en 1989 par Voyager 2 à 2.8 millions de kilomètres de distance. Cette formation est entourée de nuages d'altitude circulant à plus de 2000 km/h. Les motifs visibles dans les nuages blancs, peut-être des ondes, ne persistent pas d'une rotation à l'autre. Au centre, une séquence montrant l'évolution de la GDS. La résolution atteint 100 km par pixel. 18 heures séparent chaque image et révèlent des mouvements aussi dynamiques que ceux que nous connaissons sur Terre mais à une échelle bien supérieure. Cette tache disparut en 1994 mais une nouvelle petite tache sombre apparut en septembre 2015 comme on le voit à droite sur cette photographie prise par le Télescope Spatial Hubble en mai 2016. Documents NASA/JPL et NASA/ESA/STScI/M.H. Wong et J. Tollefson (UC Berkeley).

Grâce au programme d'observation à long terme OPAL (Outer Planet Atmospheres Legacy) du Télescope Spatial Hubble, en septembre 2015 (cf. le télégramme du CBAT) une nouvelle petite tache sombre de 4800 km de longueur fut observée dans l'hémisphère Sud de Neptune comme on le voit ci-dessous à droite. Selon l'astronome M.H. Wong de l'Université de Berkeley (UCB), il s'agit également d'une formation anticyclonique constituée de glace de méthane. Elle évolue dans la haute atmosphère de Neptune comme une montagne de gaz de forme lenticulaire comparable à nos nuages orographiques.

Enfin, l’atmosphère de Neptune cache également un grand courant équatorial. Comme Jupiter, Neptune émet 2.8 fois plus d'énergie qu'elle n'en reçoit du Soleil. Alors qu'elle en reçoit déjà 900 fois moins que la Terre, sa température au niveau 1500 mb est stable à -222°C, quelle que soit la latitude et remonte jusqu'à -153°C au niveau 3 bars. Des mouvements de convection répartissent probablement la chaleur interne vers les couches supérieures de l'atmosphère.

Prochain chapitre

Le champ magnétique, les anneaux et les satellites

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[1] U.Le Verrier, "Recherches sur les mouvements de la planète Herschel (dite Uranus)", Troisième partie, in Connaissance des temps, 1849, pp3-254.

[2] Lettre à J.Galle datée du 18 septembre 1846.

[3] Simulations accessibles à chacun pourvu que vous disposiez d’un micro-ordinateur et d'un programme d'éphémérides suffisamment complet et précis qui ne soit pas une version de démonstration souvent bridée dans le temps (1750, 1900, date du jour; etc).

[4] Les carnets de Galilée sont exposés au Musée de l'histoire de la Science à Florence.

[5] Cf. le dossier consacré à la philosophie des sciences.


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