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Uranus, le père de Saturne

Introduction (I)

La 7e planète du système solaire fut découverte fortuitement le 13 mars 1781 par William Herschel qui croyait observer une comète. Voici son commentaire : “...entre dix et onze heures du soir, alors que j’observais de faibles étoiles dans la région de H Geminorum, j’en ai aperçu une qui paraissait visiblement plus grosse que les autres. Ayant été frappé par sa grandeur singulière, je l’ai comparée à H Geminorum et à la petite étoile dans le quart de cercle entre Auriga et Gemini, et la trouvant beaucoup plus grande que chacune d’elles, j’ai suspecté qu’il s’agissait d’une comète[1]. Quelques jours plus tard, ses amis lui confirmèrent qu’il s’agissait bien d’une nouvelle planète. Alors que l'univers connu s'étendait jusqu'à Saturne, en ce mois de mars mémorable de l'année 1781, le système solaire doubla de dimension.

Uranus photographié en infrarouge au Keck II (10m) avec un eoptique adaptique le 10 novembre 2004

Uranus gravite à environ 3 milliards de kilomètre du Soleil, 20 fois plus éloignée du Soleil que la Terre. A cette distance, l'astre du jour est 20 fois moins lumineux que sur Terre. Uranus est pratiquement invisible à l'oeil nu résidant à la magnitude 5.52 en moyenne. Il est tellement petit qu'on le confond facilement avec une étoile scintillant d'un reflet turquoise. Dans un télescope il se présente comme un petit disque bleu-verdâtre, un peu flou et aplati de 4" d'arc, douze fois plus petit que celui de Jupiter et 2.5 fois plus petit que le globe de Saturne. Il présente un albedo de 0.51.

Avec un diamètre équatorial de 51800 km (3.67" vu de la Terre), Uranus est la troisième planète du système solaire derrière  Jupiter et Saturne. Son aplatissement aux pôles est voisin de celui de Jupiter (6%). Sa masse estimée à 8.69x1025 kg est 14.6 fois plus importante que celle de la Terre et il présente une densité moyenne égale à 1.29 fois celle de l'eau.

Images amateurs

A gauche, Uranus photographié par Damian Peach avec un Celestron C14HD équipé d'une caméra CCD ASI 120 MM et d'un filtre RG610. Le Nord est à gauche. Temps d'intégration total de 30 minutes. C'est à ce jour l'image d'Uranus la plus détaillée obtenue par un amateur. Au centre, une image LRGB réalisée le 6 juillet 2002 par Ed Graphton au foyer d'un Celestron C14 de 350 mm porté à f/27 et équipé d'une caméra CCD SBIG ST-5c. Notez la présence de 4 satellites. A droite, Uranus passant près de M15. Photographie couleur réalisée en 1980 par Michaux au foyer d'un Celestron C8 et imprimée sur papier Cibachrome.

Orbitant à quelque 19.2 UA, Uranus gravite sur un orbite légèrement excentrique (0.046) inclinée de 0.77° sur l'écliptique. A cette distance, l’année dure environ 84 ans et 4 jours.

Avant l'exploration spatiale on savait déjà que son axe de rotation était incliné de 98° sur le plan de l'orbite. C'est une particularité unique dans le système solaire : Uranus est couché sur son orbite, roulant plus qu'il ne tourne ! Une nouvelle fois cette anomalie ne peut s'expliquer que suite à la collision avec un corps massif peu de temps après la formation du système solaire. N'ayant pas encore trouvé la trace de cette collision, et sans bouleversement des orbites des satellites qui l'entoure, on suppose que cet accident eut lieu très tôt dans son histoire.

Uranus est animé d'un mouvement rétrograde avec une période de rotation de 17h 21m. Périodiquement, lors des solstices (le dernier date de 1985) la planète présente l'un de ses pôles en plein centre du disque, qui paraît alors circulaire. C'est durant les équinoxes (le prochain se produira en 2007) que sa forme aplatie est évidente et que le Télescope Spatial Hubble discerne le mieux ses bandes équatoriales qui semblent strier verticalement son disque.

L'atmosphère

Uranus fut visitée par la sonde spatiale Voyager 2 en 1986 après un voyage qui dura 4 ans et demi. En survolant l'atmosphère d'Uranus à 107000 km d'altitude, Voyager 2 a permis aux astronomes de faire de nombreuses découvertes très importantes. Il s'avère que sa structure intérieure n'est pas similaire à celle de Jupiter ou de Saturne. Il se compose vraisemblablement d'un noyau rocheux d'une température de 10000°C et d'un rayon de 8000 km. Occupant le quart de la planète il n'est pas composé d'hydrogène métallique. Les chercheurs de Caltech pense qu'il était entouré d'un manteau et d'une atmosphère épaisse, composée d'une émulsion mêlant l'hydrogène et l'hélium à de la glace.

L'atmosphère d'Uranus photographiée en infrarouge par le Télescope Spatial Hubble en 1998. Les points roses et brillants sont des complexes nuageux plus chauds circulants dans la haute atmosphère. Notez en rose la brume d'altitude au-dessus du pôle Sud. Document NASA/HST redressée de 98°.

Grâce aux mesures recueillies par Voyager 2, nous savons aujourd’hui que son atmosphère contient environ 83 % d'hydrogène moléculaire, 15 % d'hélium, 2 % de méthane, un peu d'ammoniac, des traces d'hydrocarbures et les produits de leur photodissociation dont l'acétylène. Cette atmosphère est dix fois plus riche en méthane que celle de Jupiter et Saturne. C'est l'absorption de la lumière rouge (Uranus présente de fortes raies dans cette région du spectre) qui lui donne cette coloration bleu-verdâtre.

Le sommet de l'atmosphère, au niveau 100 mb présente une température de -223°C pour remonter à 447°C dans la haute atmosphère plus raréfiée. En s'enfonçant dans l'atmosphère, il existerait une épaisse couche de méthane cristallisée entre les niveaux 900 et 1300 mb baignant dans une température de -193°C. Autour de la région polaire australe baignée par le rayonnement solaire, on a découvert une zone de brume constituée a priori de molécules d'acétylène, plongeant le pôle Sud dans une épaisse brume glacée de couleur brun orange.

Analysée sur ordinateur, on a décelé dans l'atmosphère d'Uranus des couches nuageuses en altitude. Bien plus pâles que celles de Jupiter et de Saturne, elles maintiennent leur latitude constante et se déplacent d'Est en Ouest à une vitesse qui oscille entre 40 et 160 m/s (576 km/h). Leur vitesse moyenne est cependant bien inférieure aux ceintures nuageuses qui entourent Jupiter (150 m/s).

Des mesures radioélectriques ont également mesuré des vents soufflant à quelque 100 m/s (360 km/h) et de sens contraire au niveau de l'équateur. Ces nuages tournent autour d'Uranus entre 14 et 17 heures environ. Ces brassages de l'atmosphère répartissent le gradient thermique rendant la température relativement constante à 1 ou 2 degrés près dans toute l'atmosphère, mis à part dans quelques régions isolées. Une autre raison tient aussi compte du fait que l'hydrogène et l'hélium offrent une grande inertie thermique à basse température. Au niveau 600 mb la température est même constance en tout point de l'atmosphère.

Autre fait important, l'hélium contenu dans son atmosphère est très significatif pour l'étude de la formation du système solaire et de l'univers. Nous savons que la nébuleuse protosolaire était riche en hydrogène et en hélium, ces deux composés ayant été fabriqués au moment du Big Bang. Etant donné qu'au cours de leur évolution les étoiles ont rendu à l'espace plus d'hélium que d'hydrogène (celui-ci ayant été transformé), au moment de la formation du système solaire, l'abondance de l'hélium était légèrement supérieure à celle de l'hydrogène, par rapport à celle produite par le Big Bang. Nous avons vu que les planètes telluriques n'ont pas pu retenir ce gaz à cause de leur masse et de la volatilité du gaz. En revanche, à partir des relevés effectués par la sonde spatiale Voyager 2 sur Uranus, on a pu déterminer que l'abondance de l'hélium dans l'atmosphère extérieure est de 26% par masse et donc semblable à celle du Soleil. Les résultats de Voyager permettent donc de valider les hypothèses du Big Bang et d'estimer les taux de formation des étoiles dans notre Galaxie depuis 4.5 milliards d'années.

L'hémisphère éclairée d'Uranus présente des phénomènes lumineux beaucoup plus intenses que ceux détectés sur l'hémisphère obscure. Les molécules d'hydrogène excitées par le rayonnement corpusculaire forment des aurores qui irradient en lumière ultraviolette, tout comme sur Jupiter et Saturne. Elles sont liées à la décharge des électrons issus de la magnétosphère dans la haute atmosphère. Ces aurores sont tellement brillantes qu'elles sont visibles depuis les grands observatoires terrestres installés à Mauna Kea.

Le champ magnétique

A l'instar de l'atmosphère, le noyau d'Uranus tourne sur lui-même en 17h 24 min engendrant un effet "dynamo" qui crée un champ magnétique. Son origine est toutefois inconnue. Contrairement à ce que l'on pensait, il n'existe pas d'océan d'eau et d'ammoniac sous haute pression entre le noyau et l'atmosphère pouvant engendrer des courants électriques. A l'inverse de toutes les autres planètes, ce champ magnétique est incliné de 60° par rapport à l'axe de rotation d'Uranus, position inhabituelle répondant probablement à l'inclinaison de l'axe de rotation de la planète. Cette position crée un effet de vrille dans la queue magnétique. Par rapport au centre géométrique, le champ magnétique est décalé de 8000 km en direction du pôle Nord.

La première structure magnétique est l'onde de choc où le champ magnétique affronte le vent solaire, à 600000 km d'Uranus. Située à environ 23 rayons d'Uranus, ce champ magnétique est 4 fois plus rapproché que celui de Jupiter. Cette proximité s'explique par la constitution de son atmosphère qui est raréfiée en altitude et plus riche que celle de Jupiter en eau et en ammoniac. Ce milieu étant bon conducteur de l'électricité, le champ magnétique est confiné dans un espace plus restreint autour de la planète. Plus près d'Uranus, à 460000 km se trouve la magnétosphère qui s'étend sur plus d'un million de kilomètres dans la direction opposée au Soleil. Un feuillet cercle finalement Uranus, formant un tore de plasma de 250000 km d'épaisseur.

Comme la Terre ou Jupiter, Uranus dispose d'une ionosphère stratifiée. Elle se situe entre 2000 et 3500 km au-dessus de la couche nuageuse mais reste détectable jusqu'à 10000 km. Comme la Terre, elle est entourée d'une enveloppe d'hydrogène qui s'étend sur plus de 100000 km.

Deuxième partie

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[1] Uranus fut observée antérieurement telle une "étoile fixe" par J.Flamsteed (1690), P-C. Le Monnier (1750), J.Bradley (1753) et J.Mayer (1756).


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