Uranus

  Uranus, de couleur bleue, est la 7e planète du Système solaire. C'est la seule planète qui roule sur son orbite en entraînant ses satellites et ses anneaux.

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La recherche s'incrémentera sur le 2ième mot et ainsi de suite. Essayez avec Uranus. 

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  Cette image a été acquise par Voyager 2 le 10 janvier 1986. L'apparence cyan (vert-bleu) de l'atmosphère résulte de la présence de méthane et d'un brouillard photochimique en haute altitude. Ce gaz absorbe la bande rouge du rayonnement solaire, laissant prédominer la couleur bleuâtre. Dans le bas, nous devinons quelques nuages. C'est l'une des quelques images qui présentent ce type de nuages. Copyright © 2001 by Calvin J. Hamilton.

1. Au-delà de Saturne

    Les confins du Système solaire sont occupés par 2 planètes géantes gazeuses d'environ 50 000 km de diamètre et 15 fois plus massives que la Terre et par un grand nombre d'objets plus petits, qui semblent être composés pour l'essentiel de glaces de différentes compositions chimiques (glace d'eau, de méthane, etc...) tel que Pluton, son satellite, les satellites d'Uranus et de Neptune, un grand nombres d'astéroïdes et les objets de Kuiper.

    Au-delà de Saturne, là où le Soleil n'apparaît à l'oeil nu que comme un point de lumière, commence un monde pratiquement inexploré par l'homme et qui était inconnu de nos anciens pour lesquels Saturne marquait la frontière du Système solaire. Les planètes Uranus, Neptune et Pluton ne furent découvertes qu'en 1781, 1846 et 1930 respectivement et sont difficilement observables depuis la Terre. Le rayonnement en provenance d'Uranus, reçu sur la Terre, est inférieur au millième du rayonnement reçu de Jupiter. Sur Uranus, le Soleil ne dispense que 2,7 millième de l'énergie qu'il nous envoie sur Terre. Toutefois son disque est encore 80 fois plus lumineux que notre Pleine Lune à laquelle les astronomes attribuent la magnitude - 20.

     Située à une distance moyenne de 2 870 990 000 km du Soleil, Uranus a, depuis la Terre, un diamètre apparent de 4" d'arc soit environ 0,001°. A cause des turbulences de l'atmosphère terrestre, il est difficile de distinguer dans le ciel des points angulairement distants de moins de 1" d'arc. Il faudra attendre Voyager 2, en janvier 1986 (il y a 20 ans), pour qu'Uranus apparaisse autrement que sous la forme d'un point.

   Uranus et Neptune ont en commun avec Saturne et Jupiter d'être composées de 99% d'hydrogène et d'hélium, de posséder une atmosphère réductrice riche en hydrogène (par opposition à une atmosphère oxydante riche en oxygène), d'être plus massives que la Terre, d'avoir une densité proche de 1, d'être entourées d'un système complet de satellites, d'avoir des anneaux, de ne pas posséder une surface solide.

  Quand les chercheurs examinent avec attention, Uranus et Neptune, ils constatent alors que contrairement à Jupiter et Saturne qui possèdent à peu près les mêmes proportions d'hydrogène et d'hélium que le Soleil, Uranus et Neptune en sont déficients. Uranus représente 5% de Jupiter et la pression au centre est trop faible pour comprimer l'hydrogène et l'hélium au-delà d'une densité de 1,3.

  Uranus et Neptune ont proportionnellement plus d'éléments lourds tels que oxygène, azote, carbone, silicium ou fer. Il semble bien qu'une partie de l'hydrogène et de l'hélium primitifs des zones extérieures de la protonébuleuse solaire, là ou l'attraction solaire est plus faible, se soit évadée avant la formation de la planète.

2. Aventure spatiale

  Avant 1986 nous ne savions presque rien sur Uranus. Au cours de son périple, Voyager 2 inquiéta les contrôleurs de vol à la suite d'un blocage de la plate-forme porteuse des caméras lors du passage près de Saturne. Mais au terme de subtiles simulations, les spécialistes comprirent qu'il s'agit d'une mauvaise lubrification d'un axe consécutivement à des mouvements trop rapides qui ont fait fuir l'huile. Une télécommande en douceur eut raison du problème tandis que la sonde s'approchait d'Uranus.

  Le 4 novembre 1985, ses instruments sont dirigés vers Uranus dont l'axe est pratiquement dirigé vers le Soleil et vers la sonde. Ce sont tout d'abord des semaines de déception: rien n'était visible sur les images, alors que, depuis des éloignements équivalents, d'imposantes structures étaient observables dans l'atmosphère de Jupiter et de Saturne. Tout comme Titan, Uranus paraissait être cachée par d'épais nuages. Trois jours avant le survol, rien n'était visible.

  Soudain, le changement va être total. Le 24 janvier 1986, il est 17h58mn51s TU lorsque Voyager 2 passe à 81 558 km d'Uranus en suivant une trajectoire qui, en raison de l'inclinaison de 98° de la planète, est presque perpendiculaire au plan de ses satellites. Ainsi tout le système d'Uranus peut être photographié en quelques heures. C'est une information limitée qui est d'abord envoyée depuis 2,9644 milliards de km. La sonde traversant tout à la fois l'ombre de la Terre et l'ombre du Soleil, les moyens de transmission sont réservés pour des expériences d'occultation. Finalement le 27 janvier, tout le flot de données peut parvenir à Pasadena.

  Et c'est l'enthousiasme, la réussite de l'opération dépassa tous les espoirs. La grande distance imposa un débit d'information réduit: au lieu de 115 200 bps (bit par seconde) pour Jupiter, 44 800 bps pour Saturne, les scientifiques durent se contenter de 21 600 bps. Les ingénieurs ont opté pour une toute nouvelle technologie: la compression d'image. Ils ne transmirent pas les pixels d'éclairement mais la différence entre un pixel et le suivant. Ainsi quelque 2,3 millions de bits suffiront pour acheminer 5,5297 millions de bits représentant l'information réelle d'une image.

  Cette compression de l'information fut fructueuse. Ce sont des surprises en cascade et tout d'abord la possibilité d'obtenir un modèle de la planète.

3. La découverte

   Tous les objets au-delà de Saturne furent découverts depuis l'invention de la lunette, d'une part, et d'autre part grâce à l'aventure spatiale (la sonde Voyager 2 et le télescope spatial Hubble). Certains objets furent découverts par chance et d'autres après de minutieuses recherches.

   La découverte, le 13 mars 1781, d'Uranus par le musicien et astronome amateur William Herschel marque une grande date dans l'histoire de la connaissance du Système solaire, dont elle doubla les dimensions. Herschel avait construit son télescope de 160 mm fait d'un miroir de bronze. Au cours d'une observation de routine dans la constellation des Gémeaux, il crût tout d'abord voir une comète par suite de sa forme de tache étalée au lieu d'un point, comme les étoiles alentour. Le calcul de son orbite lui montra qu'il s'agissait en fait d'une planète située à 19,2 UA (UA= distance Terre-Soleil), proche de la position (19,6 UA) prévue par la "loi" de Titius-Bode des distances planétaires. 

   Uranus a une magnitude de l'ordre de 6, ce qui en fait un objet à la limite de perception d'oeil, dans des conditions idéales (absence de turbulences, absence de lumière parasite, absence de pollution, ciel noir et haute dans le ciel). Son mouvement apparent par rapport aux étoiles n'avait jamais été remarqué avant sa découverte au télescope. Un examen rétrospectif des calculs d'orbite prouva qu'Uranus avait été découverte et confondue avec une étoile pas moins de 22 fois au cours du siècle qui précéda sa découverte. C'est ainsi qu'on la trouve sur plusieurs cartes célestes comme une étoile, entre 1690 et 1780, sans qu'aucun astronome prennent conscience qu'il s'agissait non pas d'une étoile, mais d'une planète. Ces observations furent très utiles pour déterminer son orbite. 

    Uranus présente toutes les caractéristiques du groupe jovien et se place ainsi dans la lignée de Jupiter et de Saturne, bien que 2 ou 3 fois plus grosses. Au télescope, la lointaine planète apparaît comme un disque verdâtre, tacheté de bleu et zébré de bandes sombres si peu contrastées qu'elles sont à peine visibles. La dominante verdâtre est provoquée par la présence de méthane (CH⁴), ce gaz étant l'élément dominant de la couche supérieure de l'atmosphère qui entoure la planète. Une atmosphère qui, et c'est une caractéristique des planètes lointaines, est extrêmement épaisse et opaque, ne laissant rien deviner. Ramené aux conditions dites normales (760 mm de pression et 0°C), le méthane recouvrirait le sol sur une épaisseur de 2 200 m.

    Dans l'atmosphère d'Uranus, il y a aussi de l'ammoniac (NH³), mais étant donné la très basse température (-180°C), ce gaz serait condensé en une sorte de neige. Il y a aussi de l'hydrogène et de l'hélium. 

    Jusque là rien de différent par rapport à Jupiter et Saturne, si ce n'est une prédominance  plus marquée, dans l'atmosphère, du méthane par rapport à l'ammoniac.

4. Baptême houleux

   Rarement le choix du nom d'une planète fut si houleux. Herschel la nomma "Georgium Sidus" (étoile Géorgienne) pensant ainsi immortaliser le nom du roi d'Angleterre Georges III, protecteur des sciences, (1738-1782) qui l'hébergeait.  puis "The Georgian Planet" car Sidus n'était pas approprié, puis plus simplement "The Georgian"

   Ailleurs en Europe, l'on propose "Neptune", "Neptune de Georges III", "Neptune de Grande-Bretagne", ces 2 noms à tiroirs étaient dus à l'astronome Anders Johann Lexell (1740 - 1794). D'autres noms virent le jour: "Minerve", "Cybèle", "Austräa".... L'astronome français de Lalande suggéra "Herschel". Le nom d'Uranus fut proposé pour la première fois par Bode et en conformité avec les autres noms de planètes, nommées selon la mythologie, pour les traditionalistes. Uranus vient de Ouranos, la personnification du ciel et père de Saturne. Chez les Grecs, Ouranos est le premier souverain de l'Olympe, père des Titans, grand-père de Jupiter et dieu des cieux. Elle fut officiellement appelée Uranus en 1850. 

   Si Herschel voulait glorifier Georges III, pour les américains c'était l'infâme. Les politiques de son gouvernement ont alimenté le mécontentement américain, menant à la révolution en 1776. 

5. Un monde renversant

  Uranus possède une particularité étonnante, unique dans le Système solaire et d'ailleurs assez difficilement explicable: la planète tourne sur elle-même en sens inverse (sens rétrograde ou sens des aiguilles d'une montre) aux autres planètes et presque complètement couchée sur son orbite. Autrement dit, lors des solstices, la ligne des pôles est dirigée vers le Soleil et nous voyons le pôle Nord ou Sud nous faire face alternativement. Le disque est alors circulaire. Une telle situation s'est présentée en 1946, 1986 et se reproduira en 2026. Aux équinoxes, nous voyons la planète sous son aspect normal et l'aplatissement de son atmosphère, dû à la force centrifuge de sa rotation rapide (18h), est visible. Mais ce fort aplatissement (1/15) se présente évidemment dans le sens vertical puisque la ligne des pôles fait pratiquement un angle droit avec l'orbite (inclinaison de 97,86°).

   Ce monde renversé est peu conforme à notre conception de la formation du Système solaire. Faut-il admettre que c'est après le basculement de l'axe de rotation de la planète qu'un processus de formation d'un disque de gaz et de poussières est intervenu, permettant ainsi l'accrétion des satellites ? Ou, au contraire, ceux-ci s'étant déjà formés à l'intérieur de la nébuleuse solaire, se sont-ils progressivement accumulés dans le plan équatorial très incliné de la planète ? Et de toute façon, à quoi attribuer le mécanisme qui a provoqué un changement aussi radical de l'orientation de l'axe de rotation d'Uranus ? D'autant que les vitesses de rotation, qui se sont traduites par le fort aplatissement observé, sont des vitesses particulièrement élevées.

  Pourtant une théorie semble avoir les faveurs de certains chercheurs. Les planétologues pensent qu'Uranus aurait été victime au commencement de son histoire, d'une collision avec une planète de la grosseur de la Terre, ce qui aurait fait basculer son axe de rotation. Il est intéressant de remarquer que les 29 satellites (fev 2006), ainsi que les anneaux ont la même inclinaison que la planète. Ils tournent selon un plan qui passe par l'équateur. Cela s'explique naturellement par l'interaction gravitationnelle entre les satellites et le renflement équatorial dû à la rotation. Les modèles théoriques montrent que les orbites de satellites relativement petits, comme ceux d'Uranus, ont naturellement tendance à se réaligner avec l'équateur de la planète, même après un basculement majeur de l'axe de rotation de celle-ci.

6. Mouvement solaire

  Nous imaginons difficilement ce que peut être le mouvement du Soleil dans le ciel d'une planète aussi peu conformiste. Au printemps, tout d'abord, la situation se présente comme sur la Terre, le Soleil se levant à l'est et se couchant à l'ouest en culminant au zénith à l'équateur et de plus en plus bas sur l'horizon à mesure que nous remontons en latitude. Seule différence: le jour et la nuit sont bien plus brefs et ne durent que 9h chacun. Puis, lorsque l'été s'approche (21 ans plus tard), les jours deviennent de plus en plus longs et les nuits de plus en plus courtes dans l'hémisphère sud et l'inverse dans l'hémisphère nord. Le mouvement se poursuit jusqu'à ce qu'en plein été la partie boréale soit plongée dans une nuit permanente, la moitié australe, à l'inverse, est constamment éclairée. Depuis ces régions, le Soleil reste à hauteur constante au-dessus de l'horizon et survole successivement en un peu moins de 18h tous les points cardinaux. A l'équateur il est tangent avec la ligne d'horizon, tandis qu'au pôle il trône, immobile, au zénith. Puis vers l'automne (21 ans plus tard), le jour réapparaît peu à peu dans l'hémisphère nord, tandis que la nuit commence à gagner l'autre hémisphère. A l'équinoxe d'automne, le Soleil se lève alors à l'ouest et se couche à l'est. En hiver (21 ans plus tard), la moitié boréale connaît à son tour une journée de 21 ans.

7. Paramètres

    Son diamètre équatorial est de 51 118 km, soit depuis la Terre, un diamètre apparent est de 4 secondes d'arc.  Elle orbite en 84 années terrestres et 7 jours autour du Soleil, à la vitesse de 6,8 km/s. Sa distance moyenne au Soleil est de 2,87 milliards de km. C'est environ 2 fois la distance Soleil - Saturne. Voyager 2 quitta la Terre le 20 août 1977 et survola Jupiter le 9 septembre 1979, soit 6,5 ans auparavant. La vitesse d'évasion est de 21 km/s.  Uranus tourne dans le sens rétrograde en 17h54'. Uranus possède 29 satellites (fev 2006) dont les plus connus, Titania, le plus gros avec un diamètre de 1 700 km et Oberon furent découverts par Herschel en 1787. Anecdotique, les noms des satellites sont choisis parmi les personnages de Shakespeare ou de Pope. 

   Uranus met 84,01 ans pour boucler sa révolution autour du Soleil à la vitesse relativement faible de 6,81 km/s. Cette orbite est parcourue presque exactement dans le plan de l'écliptique puisque l'inclinaison est de 0,774°; c'est l'inclinaison la plus faible de toutes les planètes du Système solaire.

   C'est en 1967 qu'Uranus est passée au plus près de la Terre à 2,58 milliards de km et pareille situation ne se reproduira qu'en 2150. Il est vrai que l'orbite est presque circulaire (excentricité de 0,0461) un tel rapprochement ne favorisant pas outre mesure les observations; entre aphélie et périhélie l'écart n'est que de 9% et en moyenne l'astre présente un diamètre apparent de 4" d'arc. C'est 6 fois moins que l'angle sous lequel nous découvrons Mars lors des oppositions périhéliques et 16 fois moins que le croissant de Vénus au voisinage des conjonctions inférieures.

8. Densité

   La densité (1,3) est semblable à celle de Jupiter (1,33), mais environ deux fois plus élevée que celle de Saturne (0,68). Les proportions des divers éléments qui composent l'intérieur doivent en être responsables. On pense que l'hydrogène et l'hélium constitueraient seulement 10 % de la masse. 

9. Température

    Uranus émet autant de chaleur qu'elle en reçoit du Soleil. Si elle possède encore une source de chaleur interne, elle n'a pas été détectée et est beaucoup plus faible que celles de Jupiter et Saturne. L'abondance d'hélium dans l'atmosphère externe d'Uranus est considérablement plus importante que dans celle de Saturne et indique que des gouttelettes d'hélium n'y percolent pas. Une convection profonde dans l'atmosphère empêche la chaleur interne, créée au moment de la formation, de s'échapper.  

    Lors du passage de Voyager 2 , le pôle nord était presque parfaitement orienté vers le Soleil. Pourtant, la circulation atmosphérique est si efficace que la sonde n'a pas détecté de variation de température significative entre les 2 pôles. Cette position inhabituelle pourrait entraîné des mouvements atmosphériques différents de ce que nous connaissons. Entre l'été et l'hiver peu d'écart de température, peut-être à cause de sa très grande distance au Soleil.  Mais une découverte de taille bien que le pôle éclairé soit exposé au Soleil pendant plus de 40 ans, le pôle dans l'obscurité est plus chaud de quelques degrés. Curieusement le pôle éclairé (- 209°C) est l'équateur, et la température la plus basse ( - 211°C) se trouve à 35° de latitude à la couche nuageuse supérieure. Très haut la température est de 500°C côté Soleil et 730°C côté nuit. L'atmosphère d'Uranus est prolongé par un halo d'hydrogène atomique, produit par la dissociation des molécules H² en atomes H. C'est cet élément qui domine à plus de 5 000 kilomètres d'altitude et un plasma dont la température est de 2 millions de degrés au niveau de l'orbite de Miranda, pour atteindre 15 millions de degrés au-delà, cela sans doute en relation avec le phénomène d'électroglow.

10. Atmosphère

  Uranus est classé parmi les "géantes gazeuses" à cause de l'absence de surface solide. Avec 83% d'hydrogène moléculaire H² dissocié en hydrogène atomique H dans la partie supérieur (produit par la dissociation des molécules H² en atomes H), l'atmosphère d'Uranus contient en plus 15% d'hélium, 2% de méthane et de petites quantités d'acétylène, d'hydrocarbures et des traces de vapeur d'eau et d'ammoniac (NH³). C'est cet élément qui domine à plus de 5 000 kilomètres d'altitude. Dans les couches supérieures, le méthane absorbe le rouge donnant à la planète la teinte cyan (bleu-vert) que nous lui connaissons. Des nuages défilent dans l'atmosphère à latitude constante, avec des bandes brillantes similaires à celles de Jupiter et de Saturne. Aux latitudes moyennes, les vents  soufflent en tempête, jusqu'à 580 km/h, dans le sens de la rotation autour de son axe. Mais il ne faut pas oublier que dans l'atmosphère terrestre le Jet Stream souffle à plus de 300 km/h. Des sondages radio ont permis de mesurer des vents à plus de 360 km/h soufflant en sens inverse à la rotation.  Vue depuis la Terre, l'atmosphère d'Uranus paraît aplatie à cause d'une vitesse de rotation élevée. 

   Aux basses températures qui règnent au sommet de l'atmosphère d'Uranus, le méthane gèle et constitue une chape de nuages; à ce niveau se forment également des particules de brume qui proviennent de l'action de l'ultraviolet sur le méthane. Ces formations donnent à la planète une apparence calme et nous cachent l'atmosphère plus profonde. Du méthane absorbe aussi sélectivement la composante rouge de la lumière solaire, conférant à Uranus sa couleur cyan. Des nuages d'ammoniac et d'eau se forment à plus grande profondeur et sont plus difficiles à voir (sur Jupiter et Saturne, plus chaudes, les nuages superficiels de couleur claire sont composés de cristaux de glace d'ammoniac).

  Les nuages de méthane se forment là où la pression est égale à la pression terrestre (1 bar). A ce niveau le rayon équatorial est de 25 559 km. La rotation interne rapide engendre un renflement à l'équateur si bien que le rayon polaire est plus petit que le rayon équatorial de 586 km.

  Au-dessus des nuages existe une atmosphère plus chaude, constituée essentiellement de molécules d'hydrogène auxquelles s'ajoutent de l'hydrogène atomique et de l'hélium. Des observations des émissions de l'hydrogène en ultraviolet indiquent la présence d'une couronne dense d'hydrogène qui s'étend sur des milliers de km, au-dessus des nuages visibles. La planète est assez petite et les gaz atmosphériques assez chauds pour que l'hydrogène puisse se libérer de son attraction gravitationnelle et s'élever dans l'espace. Au contraire, Jupiter et Saturne, plus massifs, retiennent leurs atmosphères d'hydrogène à proximité des sommets des nuages, comme le fait la plus lointaine et plus froide Neptune.

11. Champ magnétique

  Uranus est un monde d'hélium, affirmaient certains scientifiques aux yeux desquels seul cet élément aurait expliqué l'inertie thermique (100 fois supérieur à celle de Jupiter ou de Saturne) présentée par l'atmosphère d'Uranus. Pour rendre compte de la densité, un autre modèle proposait en son sein un noyau de silicates qui aurait pu être une planète tellurique.

  La mesure par Voyager d'un taux d'hélium de 12% seulement écarte d'emblée le premier modèle. Il faut imaginer un coeur rocheux dont le rayon pourrait représenter 7 500 km. Autour, naguère, avait été imaginé un manteau fait de glace sous des pressions qui l'auraient portée à des milliers de degrés. Mais entre-temps Voyager 2 a traversé la magnétopause et mesuré le champ magnétique qui varierait entre 0,1 à 1,1 gauss, avec parfois des valeurs proches de celui de la Terre (0,25 gauss). C'est énorme (comparativement 50 fois plus) car pour un rayon 4 fois supérieur, l'intensité du champ varie comme l'inverse du cube de l'éloignement.  Par contre son champ magnétique est décalé de 60° par rapport à son axe de rotation et il est excentré du centre à 1/3 du rayon. Le pôle magnétique sud est proche du pôle éclairé et le centre magnétique d'Uranus se trouve à quelques 8 000 km du centre géométrique, en direction du pôle nord. Il sort au niveau des tropiques. De ce fait la queue magnétique s'étire en forme de tire-bouchon à l'arrière de la planète. Le champ varie selon un cycle de 17h15 ce qui révèle une rotation interne.

  Ainsi, vous ne pourriez pas trouver votre chemin avec une boussole parce que la direction de l'aiguille et l'intensité
du champ magnétique changent selon le lieu où vous êtes. En comparaison, le champ magnétique terrestre vaut 0,25 gauss partout. 

12. Les couches

   Or, pour rendre compte d'un tel champ, nous devons admettre que des charges électriques se meuvent au sein de la planète. La majeure partie (> 80 %) de la masse d'Uranus est contenue dans un noyau liquide composé principalement de matériaux gelés (roches, eau, méthane, ammoniac), dont la densité s'accroît avec la profondeur. Ce noyau est estimé à 7 500 km de rayon. Il est possible qu'au dessus nous ayons affaire à un océan ionique où la température très élevée (1 700°C) traduirait l'existence de molécules ionisées autour du noyau. Dans le noyau il est possible que tout comme dans Jupiter, il y est de l'hydrogène métallique. Or, aux dernières informations cela semble une mauvaise piste.

  Au-dessus de cet océan ionique, Uranus serait principalement constituée d'hydrogène et d'hélium, avec de petites quantités d'hydrocarbures.

  Du moins tel est le portrait robot dressé à partir des données de Voyager 2 dont il va sans dire que, comme pour Jupiter et Saturne, la caméra nous a fait voir les couches supérieures de l'atmosphère avec un filtre bleu et les couches un peu plus profondes avec un filtre orange. Tout au plus, les émissions radio ont permis d'atteindre la région où la pression représente 1,6 bars, caractérisée par une couverture nuageuse avec des cristaux de méthane, l'atmosphère tournant plus rapidement aux pôles qu'à l'équateur. Son profil est révélé à l'aide du spectromètre ultraviolet en visant une étoile.

  Jupiter laissait très bien voir les formations de son atmosphère car la couche supérieure des nuages était trop haute. Elle était moins élevée sur Saturne surmontée par de la brume.

   A gauche, Uranus telle qu'elle a été photographiée par Voyager 2. Le vaisseau spatial était à 9,1 millions de kilomètres de la planète, plusieurs jours avant son approche.  La photo à gauche est une composition d'images prises à travers des filtres bleu, vert et orange. L'image à droite obtenue via des filtres ultraviolet, violet et orange ont étés converties aux mêmes couleurs (bleu, vert et rouge) utilisées dans la photo de gauche. Le traitement numérique en fausse couleur permet d'accroître les contrastes et révèle une circulation atmosphérique par bandes parallèles à l'équateur. Ces bandes encerclent le pôle Nord (au centre en rouge) et donnent l'aspect d'une cible géante. Elles dévoilent une calotte polaire foncé entourée d'une série de bandes concentriques qui pâlissent progressivement. Une explication possible de ce phénomène est qu'une brume brunâtre, concentrée au dessus du pôle, se place en bandes par un mouvement locale de la haute atmosphère. La couleur rouge provient de la destruction du méthane par le rayonnement solaire ultraviolet. La bande orange et jaune n'est qu'une création de l'amplification de l'image. En fait, la couleur  est plus sombre et uniforme autour de la planète. 

13. Electroglow

   La plupart des particules atomiques de la magnétosphère sont des protons qui s'échappent de l'atmosphère. Les atomes d'hydrogène qui s'échappent illuminent en ultraviolet le côté éclairé, c'est l'electroglow ou électroluminescence et serait visible aux latitudes proches de 30°, position du pôle magnétique. Une simulation a montré qu'un champ magnétique ayant un profil de 4 mV/m avec une densité neutre de 3.10¹⁰ cm^-3 produit un accroissement du taux d'émission dans la bande de H₂ (λ<1100 Å) expliquant le taux de 20% observé lors des émission d'electroglow sur Uranus.

    Le phénomène d'electroglow  a été découvert dans l'ultraviolet.  C'est une forte luminescence électronique de la haute atmosphère éclairé (1 500 km environ au-dessus de la couche supérieure). Les chercheurs ont démontré qu'elle résulte de l'excitation des molécules H₂ par des électrons. Il est possible que cela participe à la très haute température relevée dans la banlieue d'Uranus. Ce phénomène serait provoqué par l'énergie des photons solaires sur le rayonnement l'ultraviolet.

   Les chercheurs ne comprennent pas encore pourquoi il n'existe que sur l'hémisphère éclairé. Voyager 2 avait déjà décelé des phénomènes analogues, quoique moins intenses, sur Jupiter et Saturne.

14. Rapport D/H

  Tout comme pour Saturne et Neptune, Uranus possède un rapport deutérium/hydrogène (D/H) 10 fois plus élevé que le Soleil, issu de la nébuleuse primitive, qui est de 1/70 000. Ce processus d'enrichissement exige des températures très basses (- 260°). Le rapport D/H, paramètre important pour comprendre l'origine et l'évolution des atmosphères des planètes géantes, peut être amélioré pour Uranus en mesurant les abondances des molécules de méthane CH⁴ et de dl-méthane (CH³D méthane monodeutéré) à partir des mesures spectrales à la longueur d'onde de 1,6 µm.

15. Le coeur

   Notre connaissance de la structure interne d'Uranus est déduite du rayon de la planète, la masse, la période de rotation, la forme du champ gravitationnel, ainsi que le comportement de l'hydrogène, de l'hélium et de l'eau à haute pression. Sa structure interne est proche de celle de Neptune sauf qu'elle est moins active en termes de dynamique atmosphérique et écoulement de la chaleur interne.

Copyright Calvin J. Hamilton
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    La coupe ci-dessus montre Uranus composé d'une enveloppe externe d'hydrogène moléculaire, d'hélium et de méthane d'environ la masse d'une à deux Terre. Au-dessous de cette région, Uranus semble composée d'un manteau de méthane, d'ammoniaque, d'eau et d'autres éléments. Ces éléments sous haute pression et forte température sont profondément enfouis au centre de la planète. Le manteau est équivalent à 10 à 15 masses terrestres. Le noyau serait composé de glace et de roche avec une masse équivalente à une Terre.

   A la différence de Jupiter et de Saturne, les scientifiques présumaient qu'Uranus (compte tenu de sa densité) renfermait une forte proportion de glaces, c'est-à-dire de substances gelées à sa surface. Il s'agit probablement de glace d'eau, d'ammoniac et de méthane, qui sont les plus abondantes dans le Système solaire. Selon les modèles envisagés avant Voyager 2, la planète aurait comporté 3 couches: un noyau rocheux en fusion d'environ 7 500 km de rayon, un "océan" de méthane, d'eau et d'ammoniac de 10 000 km de profondeur (gelé à sa partie supérieure) et une atmosphère gazeuse d'hydrogène et d'hélium d'environ 7 000 km d'épaisseur. 

   Selon les chercheurs du Caltech, les données recueillies par Voyager 2 accréditent un modèle à 2 couches seulement, dans lequel le noyau rocheux est entouré directement d'une atmosphère dense formée d'un mélange de gaz et de glaces. Cette hypothèse s'appuie notamment sur le fait que la rotation d'Uranus s'avère plus lente que ce que les scientifiques pensaient: la concentration de masse au centre serait donc plus faible que prévue. La température centrale serait de 10 000°C.

16. Anneaux

  Les anneaux furent annoncés par Jim Elliot lors d'une mission à bord d'un avion observatoire KAO (Kuiper Airborne Observatory) en utilisant l'occultation d'une étoile (SAO 158 687) le 10 mars 1977. Ces anneaux se révélèrent au nombre de 9 très fins et séparés par des espaces importants. Avec un âge de 600 millions d'années, ils sont très jeunes. Plus tard autour de Neptune les scientifiques en trouveront d'autres grâce à l'insistance de notre cher astronome, André Brahic. Au nombre de 9, les anneaux d'Uranus entourent la planète entre 42 000 et 52 000 km du centre. Comparés à leur circonférence, 250 000 km, ils sont particulièrement étroits: 8 d'entre eux ont moins de 10 km de largeur. Trois anneaux sont circulaires et six sont elliptiques de largeur variable. Les caractéristiques sont bien illustrées par l'anneau extérieur qui est le plus large, sa distance à Uranus varie de plus de 800 km et sa largeur varie entre 20 et 100 km linéairement avec sa distance à Uranus. Contrairement aux anneaux de Saturne, ils sont particulièrement sombres. Ils réfléchissent moins de 3% de la lumière solaire. La majorité de ces particules n'a donc pas été recouverte de glaces (d'eau, d'ammoniac ou de méthane). Ils sont en majorité constitués de grosses particules assez peu nombreuses, mais les scientifiques ont également observé de plus petites particules, certaines ont un diamètre 1.10^-6 m. Puisqu'elles ne subsistent pas longtemps dans les anneaux, c'est qu'elles sont créées en permanence, sans doute au cours de collisions entre particules plus grosses.

  Les anneaux sont baptisés dans l'ordre de leur découverte et non pas en fonction de l'éloignement par des lettres grecques et par les numéros 4,5,6. L'existence et la complexité des anneaux furent confirmées par Voyager 2. 

    L'image des anneaux d'Uranus a été établi à partir des images de Voyager 2 prises le 21 janvier 1986 à partir de 4,17 millions de km. Les 9 anneaux connus sont visibles; les lignes légèrement plus fines et de couleur pastel  que nous voyons entre eux sont des artefacts causés par le traitement informatique de l'image. Six images, avec un temps de pose de 15 s et l'objectif à longue focale, furent utilisés pour extraire la couleur des anneaux très sombres et très fins. L'image finale est le résultat d'un moyennage dans les 3 bandes bleu, vert et jaune et représente une vue traitée en fausse-couleur. 

   L'image montre l'anneau epsilon, le plus brillant et le plus épais (25 m), en haut, de couleur neutre tandis que les 8 autres, plus fins, montrent une différence de couleur entre eux. La particularité de cet anneau epsilon tient au fait qu'il est épais au milieu et aux bords et minces dans les zones intermédiaires, comme si les satellites bergers Cordelia et Ophelia, découverts de part et d'autre, le confinaient. Cependant au voisinage des autres anneaux des satellites bergers, mais en vain.

   Plus bas, vers Uranus, nous voyons les anneaux delta, gamma et eta aux nuances de bleu et de vert; les anneaux bêta et l'alpha sont dans des teintes légèrement plus pâles; et puis, en final, un ensemble de trois, connu simplement comme les anneaux  4, 5 et 6 dans des tons gris pâle. Les scientifiques utilisent la couleur pour comprendre la nature et l'origine de la matière de ces anneaux. La résolution est de 40 km/pxl. Un 10e anneau (1986 UR) aurait été découvert. Il doit être complexe.

http://www.solarviews.com/raw/uranus/9rings.gif

   Les scientifiques doivent, comme pour Saturne, donner une solution d'ensemble au problème d'équilibre dynamique des masses tournant autour de la planète. Les observations faîtes lors de l'approche les avaient conduits à imaginer des anneaux très minces constituées par des blocs de glace d'eau ou de méthane, relativement isolés.

   Lors de l'éloignement, les anneaux sont étudiés d'une autre manière, en les regardant à contre-jour ou en demandant au photopolarimètre de viser à travers eux les étoiles Algol (bêta de Persée) et Nimki (sigma du Sagittaire). Cette dernière autorise un pouvoir résolvant de 7 m. Observés avec le Soleil à 8° derrière eux, les anneaux ont complètement changé d'aspect: par diffusion, la lumière fait essentiellement voir toutes les petites poussières, dont la dimension est du même ordre que sa longueur d'onde. Un sondage sur 2 longueurs d'onde différentes a révélé la présence de nombreux blocs métriques, ceux de dimension plus petite sont rares. Cela permet d'imaginer des anneaux constitués de gros blocs et d'une abondante poussière.

17. Perpendicularité des anneaux

    Pourquoi, comme l'équateur d'Uranus, le plan des anneaux est-il presque perpendiculaire à l'écliptique ? Les chercheurs pensent que la genèse même d'Uranus, dont l'axe se serait trouvé incliné en raison non pas d'un accident, mais d'un mouvement dont auraient été animées de grosses masses rencontrées par la planète dans la phase finale de son accrétion. Cette thèse va se trouver confortée par la considération des satellites.

18. Nouveaux anneaux

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STScI-PRC2005-33

   Ces images composites issues de plusieurs observations du télescope Hubble, révèlent 2 nouveaux anneaux. L'image de gauche a été réalisée en 2003. Les nouveaux anneaux poussiéreux sont extrêmement fins et ont exigé des temps de prise de vue très longs, qui font apparaître un bruit de fond sur l'image. L'anneau externe (R/2003 U1) est renouvelé par la poussière émise par un nouveau satellite appelé Mab, enfoui dans l'anneau et visible comme un trait brillant au sommet de l'anneau externe. Le nouvel anneau extérieur a deux fois le rayon de l'ancien système d'anneaux aperçu au centre de l'image. Les anneaux internes étant plus brillants, il n'y a pas de bruit de fond en arrière plan. Approximativement à mi-chemin entre l'anneau externe et l'anneau interne le système est un autre anneau a été découvert  (R/2003 U2). Seul un fin segment apparaît dans la partie supérieure. En raison des longues expositions, les satellites induisent une traînée et apparaissent comme des arcs dans le système d'anneau.

  Dans l'image de droite, prise 2 ans plus tard, les anneaux apparaissent plus obliques car Uranus s'est déplacé sur son orbite solaire. Elle approche de l'équinoxe de printemps, lorsque le Soleil sera au-dessus de l'équateur en 2007. Les bandes nuageuses et les tempêtes sont plus fréquentes dans l'atmosphère. Une tempête est visible dans l'hémisphère nord sur les images de 2005. Les images furent prises à l'aide de la caméra ACS en utilisant un filtre clair.

18. Tableau récapitulatif des anneaux

http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/uranringfact.html

20. Uranus et le télescope Hubble

http://solarsystem.nasa.gov/multimedia/gallery/PIA02963.jpg

   L'image du 8 août 1998 de Hubble (ci-dessus) révèle Uranus entourée par 4 anneaux principaux et quelques unes de sa trentaine de lunes (29 au 15/02/ 2006). Le télescope spatiale a observé plus de 20 nuages brillants à diverses altitudes. Ces nuages plutôt à base de cristaux de méthane  se condensent comme  des bulles chaudes s'évadant de puits de gaz situés en profondeur. Cette vue en fausse couleur a été traité par Erich Karkoschka en utilisant les données de Hubble prise en infrarouge par le spectromètre NICMOS (Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer). Une vingtaine de nuages  furent observés. Ceci va encore être sérieusement amélioré par l'optique adaptative.

http://solarsystem.nasa.gov/multimedia/gallery/PIA01278.jpg

    En jetant un coup d'oeil sur Uranus, avec la caméra du proche infrarouge et le spectromètre à objets multiples (NICMOS), le télescope spatial Hubble a détecté six nuages distincts sur l'image prise le 28 juillet 1997. L'image de droite, prise 90 mn après celle de gauche, montre la rotation de la planète. Chaque image est une image composite de 3 couleurs dans le proche infrarouge, ainsi le bleu, le vert et le rouge furent attribués respectivement aux longueurs d'onde 1,1 - 1,6 et 1,9 µm.

   Dans le visible et le proche infrarouge, la lumière solaire est reflétée par le brouillard et les nuages de l'atmosphère. Pourtant, dans le proche infrarouge, l'absorption des gaz limite la vision à différentes altitudes, entraînant des contrastes et des couleurs intenses.

   Sur ces images, le bleu indique les niveaux atmosphériques les plus profonds. La couleur bleue indique aussi des conditions atmosphériques claires, répandues jusqu'aux latitudes moyenne près du centre du disque. Le vert est sensible à l'absorption par le méthane, révélant une atmosphère claire; mais la couleur verte apparaît aussi dans les régions brumeuses, car la lumière du Soleil est réfléchie avant d'être absorbée. La couleur verte autour du pôle sud (marqué +) montre un puissant brouillard local. Le rouge révèle une absorption par l'hydrogène, le gaz le plus abondant dans l'atmosphère d'Uranus. La plupart de la lumière solaire montre des taches de brouillard intense dans l'atmosphère. Une couleur rouge près du limbe indique la présence d'une brume de haute altitude. la couleur pourpre à droite de l'équateur suggère un brouillard élevé avec une atmosphère transparente au-dessous.

   Les 5 nuages visibles près du limbe droit tournent dans le sens des aiguilles d'une montre.  Leur couleur rouge indique une altitude élevée. Des structures avec un contraste aussi élevé n'avaient jamais été vues auparavant. Les nuages sont grands comme un continent terrestre. Un nuage (à peine visibles ici) tourne dans le sens indiqué par la flèche. Il est localisé à basse altitude, indiquée par sa couleur verte. Les anneaux d'Uranus sont extrêmement fins en lumière visible mais parfaitement  mis en avant en infrarouge.

    L'anneau le plus brillant, l'anneau epsilon, a une largeur variable sur l'ensemble de sa circonférence. Sa partie la plus large est la zone la plus lumineuse en haut dans cette image. Deux anneaux plus faibles, les anneaux intérieurs, sont visibles à côté de l'anneau epsilon.

   8 des 10 satellites découverts par Voyager 2 sont visibles sur les 2 images. Leur diamètre va de 54 km pour Bianca à 160 km pour Puck. Les plus petits de ces satellites n'ont pas été détectés depuis le passage de Voyager 2 en 1986. Ces huit satellites tournent autour d'Uranus en moins d'une journée. Ceux de la partie interne tournent plus vite que ceux de la partie externe. Leur mouvement, 90 mn entre les deux images, est indiqué sur l'image de droite.

   La zone en dehors des anneaux a été légèrement contrastée pour améliorer la visibilité des satellites faibles.

 
Images de Hubble: http://oposite.stsci.edu/

Image Credit: NASA

20. Uranus et l'optique adaptative

    Les plus récentes observations de la planète géante Uranus, montrent un monde nuageux tandis qu'il approche de l'équinoxe automnale qui sera atteint en 2007. Nous sommes ébahis par la qualité et les détails de ces images a déclaré le Dr Frederic Chaffee, directeur du W. M. Keck Observatory à Hawaii. Il continue en ajoutant que ce sont les meilleures images qu'un télescope n'ait jamais produites. Elles ouvrent une nouvelle fenêtre pour la compréhension de ce monde unique et spécial.

http://www.astrobio.net/articles/ images/uranus_close_banner.jpg    Les images nous montre l'activité atmosphérique de la plus petite planète géante et son faible anneau. Ce sont des images infrarouges des 2 hémisphère pris avec des filtres et grâce à l'optique adaptative du télescope Keck II sur le Mauna Kea à Hawaï. Les composantes de couleur rouge, verte et bleue sont obtenues à partir des longueurs d'onde infrarouge de 1,26 µm, 1,62 µm et 2,1 µm. L'image a été obtenue les 11 et 12 juillet 2004, soit 18 ans après le survol de Voyager en janvier 1986.  L'équateur est dirigé vers le Soleil et le Nord est à 4 h. Credit: Keck/U. Hawaii

    Deux équipes différentes d'astronomes, une du Berkeley/SSI et l'autre du Wisconsin ont utilisé l'optique adaptative sur le télescope Keck (un 10 m) permettant l'exploit de s'affranchir de la turbulence terrestre pour regarder l'atmosphère et les anneaux. Le résultant démontre les nouvelles possibilités offertes aux télescopes terrestres utilisant cette technique. Ainsi l'étude des planètes lointaines va débuter. Ces résultats furent présentés au 36e meeting de la société astronomique américaine.

   Pour Imke de Pater, professeur d'astronomie à l'Université de Berkeley, Californie, un des responsables des observations, les gens pensent qu'Uranus est une planète relativement inactive, mais ces images démontrent qu'elle change  et d'une manière spectaculaire. Personne ne sait ce qui en est la cause. 

  Les nouvelles images sont le résultat de nombreuses d'améliorations générales au système adaptatif du Keck. Une nouvelle technique de calibrage enlève les artefacts précédemment  présents sur les images, en mesurant les déformations atmosphériques et en agissant à l'opposé grâce à des déformations du miroir du télescope. Après avoir visé une planète, des petits vérins agissent sous le miroir et le déforme ponctuellement pour compenser les turbulences. Ainsi le bruit est diminué d'une façon spectaculaire ainsi que les erreurs par recombinaison du front d'onde. Ainsi une brillante démonstration de facultés de l'optique adaptative a été faites par le Dr. Heidi Hammel de l'Institut des Sciences Spatiales à Boulder dans le Colorado et le Dr. Imke de Pater de UC Berkeley, Californie.

  Ils prirent des images d'Uranus et des anneaux avec la caméra de seconde génération pour le proche infrarouge (NIRC2) derrière une optique adaptative sur le télescope Keck II, d'abord sans et ensuite avec.

   Dans les images, le système d'anneau est plus visible avec le filtre 2,2 µm parce que l'absorption du méthane à cette longueur d'onde montre la planète extrêmement sombre sauf quelques nuages d'altitude élevée.

  En revanche, l'image à 1,6 µm montre une structure atmosphérique plus profonde, y compris beaucoup de structures discrètes parsemant l'hémisphère nord de la planète. A 1,6 µm, les anneaux sont à peine visibles  comme de faibles stries à travers l'hémisphère nord.

   D'autres observations menées par l'équipe de University of Wisconsin-Madison, aussi avec le système adaptatif du Keck II, furent traitées et donnèrent des images dans lesquelles les nuages les plus élevés apparaissent blancs, au niveau moyen ils apparaissent vert et plus bas ils sont bleus.

   L'utilisation de la balance des couleurs révèle les structures nuageuses dans l'infrarouge, qui ne sont pas visibles à l'oeil humain, font que les anneaux apparaissent rouges, c'est un artefact du traitement. Les nuages les plus élevés sont les plus abondants dans l'hémisphère nord. Ces images en révèlent plus que sur celles de Voyager, lors de son passage le 24 janvier 1986 puis en 1989 sur Neptune. Les orages y sont gigantesques et dépassent la taille des 8 millions de km². Mais à une distance de plus de 2,6 milliards de km, de tels orages sont à peine discernables et exigent l'utilisation des télescopes les plus puissants du monde.

Astrobiology Magazine

http://www.w3perl.com/astro/sondes/voyager/article/commentaires.html

http://pds.jpl.nasa.gov/planets/captions/uranus/uranus.htm

http://photojournal.jpl.nasa.gov/targetFamily/Uranus

http://sse.jpl.nasa.gov/features/planets/uranus/uranus.html

http://www.nasm.si.edu

Données:   http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/uraniansatfact.html

 

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