Uranus photographiée par la sonde Voyager 2 en 1986. © Nasa, JPL-Caltech

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Uranus

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Inconnue des Anciens, pour lesquels Saturne marquait la limite du système solaire, Uranus n'a été découvert que le 13 mars 1781 par le musicien et astronome William Herschel qui, observant par hasard dans son jardin la constellation des Gémeaux à l'aide d'un télescope de 16 cm d'ouverture, remarqua un objet qui n'était pas ponctuel comme une étoile. Il crut d'abord avoir découvert une nouvelle comète mais le calcul de son orbite révéla vite que cet objet était en fait une planète gravitant sur une orbite circulaire à 2,9 milliards de kilomètres du Soleil en moyenne. Uranus est 19 fois plus loin de notre étoile que la Terre et deux fois plus loin que Saturne. Même si William Herschel souhaitait que la planète porte le nom de Georgium Sidus, il lui sera finalement attribué le nom du dieu du ciel dans la mythologie grecque : Ouranos, sur les recommandations de Johann Bode.

Approximativement de magnitude 6, Uranus est à la limite de la détection à l'œil nu. Un observateur expérimenté peut néanmoins l'apercevoir par une nuit claire ; elle apparaît alors comme une étoile très faible. Uranus avait été porté plusieurs fois sur des cartes du ciel entre 1690 et 1780, ce qui a été très utile par la suite pour déterminer les paramètres de son orbite. Uranus est vu depuis la Terre sous un angle de 4 secondes. Son disque est donc visible dans un télescope mais apparaît comme une petite tache bleu verdâtre sur laquelle on ne discerne aucun détail. Depuis 1994, cependant le télescope spatial Hubble en obtient des images toujours plus détaillées, sur lesquelles on distingue diverses caractéristiques de son atmosphère.

Avec un diamètre de 51.118 km, Uranus est quatre fois plus grand que la Terre. Sa masse est 14,5 fois supérieure à celle de notre planète. Comme les autres planètes géantes gazeuses, la septième planète du Système solaire est composée à 99 % d'hydrogène et d'hélium. Géante glacée, Uranus possède 13 anneaux et un système de 27 satellites. Sa période de rotation est de 17 heures et 14 minutes. Mais contrairement aux autres planètes, l'axe de rotation d'Uranus se trouve pratiquement dans son plan orbital ; le plan équatorial d'Uranus ainsi que le plan orbital de ses satellites connus sont quasi perpendiculaires au plan de son orbite autour du Soleil. La période de révolution d'Uranus est de 84 ans.

Image infrarouge prise depuis le télescope Keck II équipé d'optique adaptative, et reproduite en fausses couleurs où le bleu, le vert et le rouge représentent 1,26, 1,62 et 2,1 microns de longueur d'onde. Crédit : L. Sromovsky, Univ. Wisconsin, Keck obs.

Découverte d’Uranus par les sondes spatiales

Le 24 janvier 1986, Voyager 2 survolait Uranus. Ce qui, depuis deux cent cinq ans, n'était qu'un petit point de lumière bleuâtre s'est révélé en quelques heures un monde particulièrement riche avec un environnement d'anneaux surprenants et de satellites beaucoup plus actifs que prévu, en particulier l'étonnante Miranda.

L'essentiel des caractéristiques connues du système d'Uranus provient de cette brève rencontre ; il faut cependant faire remarquer la parfaite complémentarité des mesures effectuées depuis la Terre et par Voyager 2. Par exemple, l'étude des anneaux depuis notre planète par l'observation d'occultations stellaires a permis d'obtenir sur leur structure des résultats que n'a pu fournir la sonde. Inversement, les petites particules détectées par la sonde au sein des anneaux sont invisibles depuis la Terre.

Sept mille images du système uranien, dont deux mille au moment du passage au plus près, des milliers de spectres dans l'infrarouge et dans l'ultraviolet, des millions de mesures radio et magnétiques ont été alors transmis à la Terre.

Uranus photographié par Hubble dans le proche infrarouge le 28 juillet 1997. Des nuages dans l’atmosphère ont été observés et 8 des 27 lunes d’Uranus sont visibles dans le plan de ses anneaux. © Nasa, JPL, STScI

L’atmosphère d’Uranus

Les images ont révélé la présence de nuages, de bandes parallèles à l'équateur et de couches de brume. En particulier, le pôle qui fait actuellement face au Soleil est couvert d'une calotte de brume. Le mouvement des nuages a permis de mesurer la période de rotation de l'atmosphère d'Uranus. L'atmosphère d'Uranus tourne en sens inverse des aiguilles d'une montre et plus rapidement que l'intérieur de la planète ; les vents viennent tous de l'ouest. La haute atmosphère d'Uranus tourne de manière différentielle. Contrairement à ce qui se passe sur Saturne, la rotation est plus rapide vers les pôles que vers l'équateur : la période est de 17 heures vers 25 degrés de latitude et de 16 heures vers 40 degrés de latitude.

À partir des spectres dans l'infrarouge et de l'expérience d'occultation radio par l'atmosphère, on a pu estimer l'abondance de l'hélium à environ 15 %, ce qui correspond à la quantité d'hélium présente dans le Soleil. Il semblerait donc que l'atmosphère, ayant la même composition que le Soleil et que la nébuleuse primitive, soit primordiale et non le fruit d'une évolution ultérieure de la planète.

Uranus a une structure interne très différente de celles de Jupiter et de Saturne. En son centre, la température serait de l'ordre de 7000 kelvins, et la pression vaudrait environ vingt millions de fois la pression atmosphérique terrestre. En partant du centre, on trouve probablement successivement un noyau "rocheux" d'un rayon d'environ 7.500 kilomètres, chaud, solide ou liquide, composé pour l'essentiel de silicates et de fer, puis un manteau de plus de 10.000 kilomètres d'épaisseur composé de glaces d'eau, de méthane, d'ammoniac, et enfin une épaisse enveloppe gazeuse d'hydrogène et d'hélium qui forme l'atmosphère observée depuis notre planète. Cette enveloppe est environ quatre fois plus massive que la Terre.

Détail des anneaux d’Uranus en fausse couleur. Photo prise par Voyager 2 le 21 janvier 1986, à 4,1 millions de km de distance. © Nasa, JPL-Caltech

Champ magnétique et magnétosphère d’Uranus

Avant la rencontre avec Voyager 2, on ignorait tout sur le champ magnétique d'Uranus : le rayonnement radio de Jupiter est aisément détecté depuis la Terre ; celui de Saturne avait été observé par les sondes Voyager, à une distance considérable, plus d'un an avant les rencontres ; mais, dans le cas d'Uranus, le voile n'a été levé qu'au dernier moment, quelques heures avant le passage de la sonde au plus près. Une des grandes surprises de la mission Voyager 2 est venue de la découverte que l'axe du champ magnétique n'était pas plus ou moins aligné avec l'axe de rotation de la planète, mais au contraire fortement incliné, d'environ 60 degrés, par rapport à celui-ci. Le champ magnétique est intrinsèquement cinquante fois plus fort que celui de la Terre ; ce qui, compte tenu de la plus grande taille d'Uranus, correspond à une intensité un peu plus faible en "surface". Ce champ magnétique est probablement engendré par effet dynamo au sein de l'épais manteau liquide qui contient de nombreux atomes ionisés. L'existence de ce fort champ magnétique et l'interaction avec le vent solaire entraînent l'existence de zones analogues aux ceintures de Van Allen au voisinage de la Terre.

L'atmosphère d'Uranus est à une température d'environ 50 kelvins et l'étude spectroscopique a permis d'y découvrir la présence de méthane et d'hydrogène moléculaire. La sonde Voyager a détecté une atmosphère étendue d'hydrogène moléculaire et une couronne encore plus étendue d'hydrogène atomique.

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