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Vénus, la déesse de l'Amour

Introduction (I)

La Belle de nuit, Ishtar comme l'appelaient les Babyloniens, fut saluée par son éclat dès l'aube de la civilisation. Vénus est la seule planète qui scintille plus fort que l'étoile Sirius, avec une magnitude visuelle qui peut dépasser -4.5 lorsqu'elle est au plus près de la Terre (opposition inférieure).

Vénus n'est jamais très éloignée du Soleil, s'en écartant au maximum de 48° lors des plus longues élongations (le matin du côté Est, le soir du côté Ouest). Elle devient alors "l'étoile du berger" car c'est la première "étoile" qui apparaît dans les lueurs crépusculaires ou la dernière qui disparaît à l'aube. A cette occasion certains observateurs peu avertis l'ont confondue avec un OVNI !

Vénus photographiée en lumière blanche par la sonde spatiale Mariner 10 de la NASA le 5 février 1974 et colorisée par Mattias Malmer afin de reproduire sa couleur naturelle. D'autres photos prises en UV et IR sont présentées page 2. Document NASA.

Vénus doit son éclat à sa taille, sa proximité de la Terre et à l'épaisseur de son atmosphère qui réfléchit jusqu'à 69% de la lumière du Soleil. Vénus évolue sur une orbite quasi circulaire à environ 108 millions de kilomètres du Soleil ou 0.7 UA.

Pourquoi Vénus présente-t-elle des phases ? Vénus est une planète inférieure; elle circule à l'intérieur de l'orbite terrestre. Etant donné que le Soleil se situe au centre du système solaire et que Vénus tourne autour de lui, elle nous présente des phases comme la Lune : un large croissant entre la conjonction et la quadrature, son premier ou dernier quartier au moment des élongations Est ou Ouest, une forme gibbeuse entre la quadrature et la nouvelle Vénus ou enfin son disque totalement illuminé mais tout petit lorsqu'elle est en opposition. C'est aux époques proches de la conjonction inférieure qu'elle brille le plus, sa taille augmentant progressivement d'un facteur 6.

Observée dans une lunette ou un télescope, aux alentours de la conjonction inférieure, son diamètre apparent est supérieur à celui de la Lune vu à l'oeil nu ! Son élongation solaire minimale visible (écart de 0.5 à 2.5° du Soleil) se produit tous les 8 ans (cf. cette photo prise par Thierry Legault le 2 juin 2020) et est un phénomène très difficile à observer et à photographier vu la proximité du Soleil et la chaleur qui se concentre au foyer qu'il faut a tout prix éliminer. Soyez très prudent !

A consulter : Simulation des élongations solaires de Vénus

Simulation des phases de Vénus

Shadow and Substance, Larry Koehn

Simulations des trajectoires des planètes, des phases de Vénus et des éclipses

L'explication schématique des phases de Vénus. En dessous à gauche, reproduction à l'échelle de la variation de la taille apparente de Vénus à mesure qu'elle se rapproche de la Terre (de droite à gauche). A droite, la triple conjonction du 26 mars 2012 entre la Lune, Vénus (au-dessus) et Jupiter (en dessous). Documents T.Lombry.

Lors de sa conjonction inférieure (voir les schémas ci-dessus), sa distance à la Terre se réduit à 41 millions de kilomètres ou 0.27 UA. A cette distance, même une paire de jumelles 7x50 permet de suivre l'évolution de son croissant qui, en l'espace d'un mois, passe progressivement de 40" à 1'06" de diamètre au moment de la conjonction, soit 1.5 à 2 fois le diamètre apparent de Jupiter (29.8"-50.1").

Il faut toutefois être patient avec Vénus car la même phase ne se produit qu'une fois tous les 584 jours. Mais la récompense est au rendez-vous si le ciel est clair. Vous pouvez en effet suivre l'évolution de son croissant durant près de deux mois entre l'élongation Ouest du soir et la conjonction inférieure et durant deux autres mois entre la conjonction inférieure et l'élongation Est du matin, soit au total durant plus de quatre mois si vous avez la chance de bénéficier des deux horizons dégagés. Après la quadrature matinale, son globe passe sous les 20", il s'arrondit et devient peu intéressant.

Avec un diamètre de 12104 km, Vénus est la soeur jumelle de la Terre. Malheureusement elle cache sa surface sous une épaisse atmosphère ceinturée de bandes sombres que seul peut percer le rayonnement infrarouge. Ce phénomène pudique incita la plupart des auteurs de fiction à divaguer sur d'éventuelles formes de vie. Celles-ci évolueraient dans une épaisse forêt vierge, bordée de marais... Georges Adamski en particulier peuplait Vénus de colonies d'humanoïdes blonds, habillés de blancs. Ils étaient intelligents et paisibles...

A lire : En hommage à Galilée

La découverte des phases de Vénus

Images amateurs

A gauche, un magnifique croissant de Vénus (Æ58.9" soit 25% plus grand que celui de Jupiter, distance de 0.28 UA, 1.1% illuminé, Mv.-7.8, CM:19°) photographié le 1 avril 2001 par Johannes Schedler avec une lunette apochromatique de 100 mm f/9 ED. Il s'agit d'un compositage de 50 images CCD. Au centre, le quartier de Vénus (Æ14.7" soit 3.3 fois plus petit que celui de Jupiter, 1.14 UA, 75% illuminé, Mv.-4.8, CM:299.9°) photographié le 10 avril 2015 vers 16h TU par les membres d'Astronominsk avec un télescope Klevstov-Cassegrain de 360 mm f/16 équipé d'une Barlow 1.6-2.4x et caméra CCD ZWO ASI 174MM. Il s'agit d'un compositage RGB IR/UV IR685+IR1000+UV. A droite, photo de Vénus (Æ15.09" à 1.11 UA, 73% illuminé, Mv.-4.88, CM:289°) prise quatre jours plus tard par Jim Chung le 14 avril 2015 depuis Toronto au moyen d'un dobsonien de 18" ou 457 mm f/20 équipé d'un filtre Baader UV et d'une caméra CCD Point Grey Research (PGR) Grasshopper Express. A comparer avec ce qui se faisait de mieux en 1977 avec un télescope de... 520 mm. Compte tenu des mouvements relatifs de la Terre et de Vénus, les phases de Vénus se reproduisent tous les 584 jours.

Depuis 1956, grâce aux relevés radars de l'US Naval Observatory puis d'Arecibo et grâce aux sondes spatiales russes et américaines qui l'ont exploré à partir de 1961, nos informations se sont précisées et nous devons oublier l'hypothèse des petits hommes verts ou blonds, si jamais elle fut présente dans votre esprit.

Après la Lune, Vénus fut la planète la plus visitée : en comptant les survols rapides, 47 sondes spatiales (voir aussi la liste du NSSDC) ont déjà été lancées vers cette planète (2020) dont 27 sans échec qui révélèrent un monde très inhospitalier[1].

Propriétés physiques

Vénus tourne autour du Soleil en 243 jours, c'est sa période sidérale (cf. J-L.Margot et al., 2021) tandis qu'elle effectue une rotation sur elle-même en 116.75 jours. Ceci provoque un premier paradoxe : sur Vénus un jour dure près de 117 jours terrestres. Son inclinaison orbitale est tout aussi exceptionnelle. L'équateur est incliné de 177°4' sur l'orbite, ce qui signifie que sur Vénus le pôle Sud est au nord ! Le fait d’avoir ainsi la tête à l’envers a pour conséquence que le Soleil se lève... à l’Ouest et se couche à l’Est ! C’est la seule planète du système solaire à présenter cette inversion qui ne s’explique que par la collision frontale de Vénus avec un gros astéroïde, peut-être aussi gros que la Lune, voici plusieurs milliards d’années.

Les conjonctions entre la Lune et les planètes sont faciles à photographier. A gauche, une conjonction entre la Lune, Vénus (en dessous à droite), Saturne (à gauche de la Lune) et Mars (à gauche de Vénus) photographiée par l'auteur le 23 avril 2004 à 21h TU depuis Luxembourg avec un appareil digital Canon PowerShot S30. Exposition de 15 s à 50 ISO. Au centre, une conjonction entre la Lune, Vénus (en dessous) et Jupiter (au-dessus) photographiée par Lorenzo Lovato le 18 février 1999 avec un objectif de 35 mm f/4. Exposition de 15 s sur film Kodak Gold 200. A droite, le croissant de Vénus face à celui de la Lune. Photographie prise le 21 mai 2004 à 12h55 TU par Ivan Eder au moyen d'une lunette apochromatique TMB 130 f/6 fixée sur une monture Sky-Watcher EQ6 et munie d'un oculaire Vixen LV 30 mm et d'un APN Nikon Coolpix 4300 en mode afocal (l'objectif est inamovible et fixé contre l'oculaire). Exposition de 1/100 de seconde à f/11, 100 ISO.

La densité de Vénus est voisine de celle de la Terre, 5.26 contre 5.52 et l'on soupçonne une structure interne presque analogue. Son écorce est deux fois plus épaisse que celle de la Terre et c’est peut-être la raison pour laquelle il n'existe qu'une seule plaque tectonique basaltique sur Vénus, hérissée de montagnes, de bassins et de failles. La pesanteur vaut 0.91 fois celle qui règne à la surface de la Terre.

Tout cela serait parfait pour nos cosmonautes si la surface rocheuse de Vénus ne subissait pas une pression de 93 atmosphères qui nivela tous les reliefs. Cette pression diabolique est équivalente à celle qu'on subirait en plongée à une profondeur de 931 mètres ! Il n’est pas question de sortir sans porter un scaphandre rigide... C'est probablement cette pression énorme qui détruisit la sonde russe Venera 3 en 1965 au cours de sa descente vers la surface.

Un anneau co-orbital de poussière

Après l'anneau de poussière découvert sur l'orbite de la Terre en 1994 (cf. Stanley F. Dermott), les scientifiques ont découvert un anneau similaire près de l'orbite de de Vénus grâce aux données archivées des sondes spatiales germano-américaines Helios en 2007, confirmées en 2013 grâce aux données de STEREO. Puis comme évoqué précédemment, on découvrit un anneau similaire sur l'orbite de Mercure.

A voir : Venus Dust Ring, NASA

Illustrations de quelques uns des anneaux de poussière circumsolaire. Document Pat Hrybyk-Keith/NASA/GSFC.

Lors de sa découverte, il semblait probable que l’anneau de poussière co-orbitant avec Vénus s'était formé comme celui de la Terre, à partir de la poussière produite dans la Ceinture des astéroïdes. Mais lorsque l’astrophysicien Petr Pokorny modélisa la poussière spiralant vers le Soleil depuis cette Ceinture, ses simulations ont produit un anneau qui correspond aux observations de l'anneau terrestre mais pas à celui de Vénus. Dans ce cas, d'où provenait la poussière présente sur l'orbite de Vénus ? Après une série de simulations, Pokorny et son collègue Marc Kuchner ont émis l’hypothèse qu'elle provenait d'un groupe d’astéroïdes jamais détectés gravitant autour du Soleil à hauteur de Vénus. Ils publièrent leurs résultats de leur étude dans l'"Astrophysical Journal" en 2019.

Reste à présent à découvrir ces éventuels petits corps à l'origine de cette poussière. Sachant qu'ils n'ont pas été détectés au cours des 25 dernières années malgré tout l'arsenal des instruments existants, ce sera un véritable défi de les débusquer.

Géologie

Sans disposer d’un niveau marin de référence, arbitrairement les scientifiques ont décrété un niveau moyen, en dessous duquel 16% de la surface de Vénus est située, contre plus de 75% sur la Terre. La profondeur de ces bassins est d'environ 3000 m. Ces analogies avec la Terre font penser que les deux planètes se formèrent de la même façon, exception faite de l’évolution tectonique et climatique. D'autres observations ont corroboré ce fait.

Panorama vénusiens

Ci-dessus, aspect du sol de Vénus dans la région de Phoebe Regio photographié à courte distance par la sonde soviétique Vénéra XIII le 1er mars 1982. A l'avant-plan on reconnaît le chassis de la sonde et le capuchon de l'objectif de la caméra. Noter l'horizon aux extrémités de l'image. Vénéra XIII survécut 2h7m dans la fournaise et la forte pression qui règnent sur Vénus réalisant 14 images panoramiques. Ci-dessous, trois photographies du sol de Phoebe Regio prise le 5 mars 1982 par la sonde Vénéra XIV qui survécut 57 minutes sous une température de 457°C.

Comment évolue la surface de Vénus ? Contrairement à ce qui se passe sur Terre, sans tectonique des plaques, les mouvements convectifs se développant dans le manteau de Vénus ne peuvent évacuer le surplus d’énergie par des mouvements de subduction du plancher océanique.

Sur Vénus, l’énergie engendrée par la convection s’échappe principalement par les points chauds, sous les panaches volcaniques, à l'imagine de ceux que l’on connaît sur Terre (Hawaï, Stromboli, Réunion, etc.). L'activité volcanique de Vénus expliquerait également les nombreuses fractures que l'on y trouve. Les poussées de magma issu des profondeurs bomberaient l’écorce de la planète qui finirait par se briser en provoquant des formations volcaniques très variées et de longues failles.

Ce mécanisme volcanique concentré dans les forces verticales explique l’aspect de certaines régions, dénommées arachnïdes et cononae, dans lesquelles le magma sous-jacent monte jusqu'à la surface. Le refroidissement et le retrait du magma aurait ensuite provoqué l'effondrement de leur partie centrale. Cette activité volvanique importante a formé plus 430 volcans de plus de 20 km de diamètre et des dizaines de milliers d'autres plus petits.

A gauche, comparaison entre la structure interne de Vénus et celle de la Terre. A droite, illustration artistique du passé volcanique de Vénus. Des volcans se sont formés au-dessus des zones de subduction. Au premier plan, la croûte plonge dans la manteau via les tranchées où elle est recyclée. Documents NASA adapté par l'auteur et NASA/JPL-Caltech/Peter Rubin.

Les scientifiques ont toutefois du mal à comprendre comment les matériaux retournent dans le manteau. Seule explication, les profondes dépressions qui entourent les cononae seraient des sites propices à la subduction. Le magma poussé vers le centre des formations s'écoulerait ensuite radialement avant de replonger vers le centre de Vénus par les profondes tranchées extérieures. Ce processus est similaire à celui qui a formé les îles volcaniques de l'archipel d'Hawaï.

Grâce aux données gravitationnelles, on estime aujourd'hui que l’écorce de Vénus est relativement mince, de l'ordre de 2 à 3 km d'épaisseur.

Des volcans récemment actifs

Vénus ne présente pas de plaques tectoniques qui auraient pu expliquer sa morphologie, mais elle présente les preuves d'une activité volcanique et météoritique. Ainsi, comme ce fut déjà le cas en 2008 et 2009, en 2015 les astronomes ont découvert des points chauds (527° et 826°C) sur les images en infrarouge proche prises par la sonde européenne Venus Express à 1 micron de longueur d'onde (1000 nm). Trois régions sont particulièrement actives : Imdr, Themis et Dione. Le point chaud d'Imdr Regio fut découvert à l'emplacement du volcan Udunn Mons (46°S, 214.5°E) qui mesure environ 200 km de diamètre et culmine à 2500 m au-dessus de la plaine.

Cette activité volcanique se manifeste également dans la région équatoriale de Ganis Chasma, une zone de failles dans laquelle se situe le volcan Maat Mons (1°N, 195°E) de 395 km de diamètre et culminant à plus de 8000 m d'altitude par rapport au niveau moyen de référence (1700 m au-dessus des reliefs avoisinants).

A gauche, une image tridimensionnelle basée sur les mesures télémétriques et radar nous montre les nombreux volcans et les coulées de laves qui recouvrent Vénus. A droite, le point chaud découvert sur le volcan Udunn Mons d'Imdr Regio. Documents NASA/Magellan et ESA.

Dans une étude publiée dans la revue "Nature Geoscience" en 2020, Anna J.P. Gülcher de l'ETH Zurich et ses collègues ont développé des modèles infomatiques 3D en haute résolution pour étudier l'activité thermomécanique interne de Vénus et notamment la formation des coronae. Grâce à ces simulations, ils ont découvert que Vénus est toujours active.

Selon le géologue Laurent Montési de l'Université du Maryland et coauteur de cette étude, "L'amélioration du degré de réalisme de ces modèles par rapport aux études précédentes permet d'identifier plusieurs étapes dans l'évolution d'une corona et de définir les caractéristiques géologiques spécifiques aux coronae actuellement actives. Nous pouvons dire qu'au moins 37 coronae ont été très récemment actives", dont celle nommée Artemis. C'est la première fois qu'on a formellement identifié des volcans actifs ou dormants sur Vénus.

Ces résultats ont révélé que les différentes formes de coronae représentent différents stades de développement géologique. L'étude fournit la preuve que les coronae sont toujours en évolution. Selon Montési, "Cette étude change considérablement la vision de Vénus d'une planète essentiellement inactive à une planète dont l'intérieur est toujours en train de bouillonner et peut alimenter de nombreux volcans actifs".

Les coronae actives sont regroupées dans une poignée d'endroits, suggérant qu'il s'agit de zones où la planète est la plus active, fournissant des indices sur le fonctionnement de l'intérieur de Vénus. Ces résultats peuvent aider à identifier les zones cibles où les instruments géologiques devraient être placés lors de futures missions vers Vénus.

Ceci dit, géologiquement parlant, il est difficile de dire si Vénus est en train de mourir, est dans une phase de sommeil ou reprend une activité volcanique.

A gauche, une carte topographique de Vénus en fausses couleurs. La résolution atteint 3 km. Les lowlands sont représentés en mauve, les mesolands en vert et les highlands en rouge. A droite, la localisation des structures volcaniques actives et inactives. Cliquez ici pour lancer l'animation (GIF de 14 MB). Documents NASA/Magellan, NASA/Magellan/SOS/NOAA et A.J.P. Gülcher et al. (2020)

Topographie

La surface de Vénus présente également de nombreuses cicatrices d’impacts mais elle fut criblée différemment de la Lune, Mercure ou Mars. L'âge moyen des surfaces est remarquablement jeune : environ 500 millions d’années, époque vers laquelle la principale activité volcanique s'est assoupie, alors que la Lune ou Mercure arbore des terres âgées de plus de 4 milliards d’années.

La morphologie des terres vénusiennes se divise en trois catégories :

- les lowlands, résidant en dessous du niveau zéro de référence

- les mesolands, d'une altitude comprise entre 0 et 2 km

- les highlands, qui dépassent 2 km d’altitude.

La répartition des quelque mille cratères existants est tout à fait aléatoire. Leur dimension moyenne est de l'ordre de 1.5 km de diamètre. Certains cratères sont relativement vastes (400 à 600 km de diamètre) mais ils sont très peu profonds (moins de 700 m).

A gauche, le cratère Mona Lisa mesure 86 km de diamètre et est tout à fait original. Non seulement il se trouve dans une zone très fracturée mais il présente des fractures multiples en son centre, des anneaux concentriques et une zone d'ejecta étendue. A droite, le volcan éteint Sapas Mons dans la région d'Alta. Il s'élève à 1500 m d'altitude. Documents NASA/Magellan.

Un quart de la surface est couverte de highlands, tel le massif d'Aphrodite Terra, aussi vaste que l'Afrique, au bord duquel deux pics culminent respectivement à 9000 et 4300 m d'altitude. Une vallée large de 280 km parcourt cette chaîne de montagnes sur 2250 km. La sonde Magellan a également découvert sur Vénus le plus long fleuve de lave (solidifiée) du système solaire : il s'étend sur 6800 km et présente une largeur constante de 2 km ! C'est aussi dans le massif d'Aphrodite Terra que se trouve le canyon le plus profond. Il plonge à 2900 m sous le niveau moyen et ses parois culminent à 6000 m.

C'est dans le second massif montagneux, nommé Ishtar Terra, situé au-delà de 60° de latitude Nord que l'on découvrit le plus haut sommet de Vénus, le mont Maxwell : il culmine à 11800 m. Cette zone de montagne témoigne du phénomène géologique inverse : la compression de l'écorce. Les montagnes sont situées dans une zone complexe, déformée, appelée tessera. Culminant au-dessus des plaines, ces régions sont fortement plissées et entourées de fractures et de failles géologiques.

Certaines régions plus tendres s'effritent sous l'action du vent et créent de vastes sillons parallèles appelés yardang hérissés de crêtes. Les dépressions sont remplies de sable tandis que les reliefs sont mis à nu sous l’effet du vent dominant. Des formations identiques existent sur Terre, dans le désert du Tibesti.

Deux formations géologiques typiques de Vénus : des canaux de laves de largeur constante et extrêmement étendus et des dômes en forme de crêpe ou pancake. Ces images ont été prises par le radar à synthèse d'ouverture de la sonde spatiale Magellan. Documents NASA/Magellan.

Ajoutons à cette nomenclature des centaines de dômes volcaniques d'environ 20 km de diamètre dont le sommet a été nivelé par la pression et l'état des laves. Dénommés crêpes (pancakes), ils ne dépassent pas 750 m d’altitude. Des formations similaires existent sur Terre, en Californie et en Islande où ces reliefs furent formés par de la lave riche en silice (épaisse et peu fluide).

Les campi

Grâce aux données de la sonde spatiale Magellan de la NASA qui orbita autour de Vénus entre 1990 et 1994, le planétologue Paul K. Byrne de l'Université d'État de Caroline du Nord à Raleigh, et ses collègues ont cartographié des structures qu'ils ont nommées "campi" (champs en latin). Les résultats de leur étude furent publiés dans les "PNAS" en 2021.

Image en fausses couleurs de Lavinia Planitia sur Vénus où les campi, des morceaux de croûte fragmentée (en mangenta) sont séparés par des ceintures de structures tectoniques (en jaune). Document NASA/JPL/NC State U.

Byrne et ses collègues ont répertorié 58 campi mais il y en a probablement plus mais ils sont plus difficiles à distinguer.

Comme le montre la photo présentée à gauche, les campi sont d'immenses blocs de croûte mesurant entre 100 km et plus de 1000 km de diamètre, chacun étant délimité par des ceintures de crêtes et de failles.

A l'aide de modèles informatiques, les chercheurs ont simulé l'activité interne de Vénus pour comprendre comment ces campi se sont formés. Ils ont découvert qu'ils seraient le résultat des effets du mélange de la roche en fusion sous la surface de la planète, générant des tensions et des fissures dans la croûte. A l'image de la banquise terrestre qui dérive et se déforme selon les courants marins, les campi se sont déplacés sous l'effet des courants se développant dans le manteau de Vénus.

Selon Byrne, "Ce sont des choses qui bougent à la surface à cause de choses qui bougent à l'intérieur, et nous ne voyons cela à peu près nulle part ailleurs dans le système solaire, à l'exception de la Terre. Ajoutez cela à la pile de raisons circonstancielles pour lesquelles nous pensons que Vénus est actuellement géologiquement active."

La façon dont ces blocs semblent s'être déplacés depuis leur formation est similaire à la façon dont des morceaux de la croûte continentale s'entrechoquent et se brisent sur Terre. Certains d'entre eux sont peut-être encore en mouvement et pourraient nous aider à comprendre l'évolution géologique de la Terre à l'époque archéenne (4-2.5 Ga). Selon Byrne, "Si vous pouvez comprendre à quoi ressemble Vénus maintenant, cela pourrait nous donner un aperçu de ce à quoi ressemblait la Terre".

La lave qui forma ces campi est datée entre 750 et 150 millions d'années. A l'échelle géologique, ce sont donc des structures très jeunes, ce qui signifie qu'une forme de tectonique en deux phases s'est produite assez récemment dans l'histoire de Vénus.

Deux des trois prochaines missions qui doivent visiter Vénus au cours des prochaines décennies - Veritas de la NASA et EnVision de l'ESA - seront équipées d'instruments radar à haute résolution qui permettront d'établir des cartes détaillées de la surface. Les planétologues espèrent que ces données révolutionneront notre compréhension de Vénus et de sa géologie, y compris des campi.

La comparaison de ces futures nouvelles cartes avec celles de Magellan pourrait également révéler si les campi sont figés depuis longtemps ou s'ils sont toujours en mouvement et en évolution.

Prochain chapitre

L'atmosphère

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[1] Le National Geographic a consacré plusieurs numéros aux missions spatiales. Lire aussi Fredric W. Taylor, "The Scientific Exploration of Venus", Cambridge University Press, 2014.


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