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La physique de Pluton : orbite, atmosphère et caractéristiques

Dossier - New Horizons : 11 kg de plutonium pour comprendre Pluton
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La sonde New Horizons est la première mission du programme d'exploration planétaire New Frontiers de la Nasa, avec Juno (lancée en 2011) et Osiris-Rex (en développement, pour un lancement prévu en 2016). Elle est chargée de fournir la première reconnaissance scientifique du système Pluton-Charon, avec les quatre autres satellites découverts depuis.

  
DossiersNew Horizons : 11 kg de plutonium pour comprendre Pluton
 

Pluton, l'ex-neuvième planète du Système solaire, devenue planète naine depuis la nouvelle définition de l'Union astronomique internationale en 2006, reste bien mystérieuse. La sonde New Horizons a notamment permis de dévoiler certains de ses secrets.

Même au périhélie de son orbite, Pluton ne présente qu'un diamètre apparent de 0,2 seconde d'arc, inférieur à la résolution de la plupart des télescopes terrestres. Sur la majorité des plaques photographiques où elle apparaît depuis sa découverte, elle ne représente qu'une tache vaguement brumeuse noyée parmi des millions d'étoiles souvent plus brillantes.

Seul son déplacement apparent avait permis à Clyde Tombaugh de discerner cette planète en tant que telle, et encore ce mouvement n'était-il que de 1 seconde d'arc - 5 fois son diamètre - par jour au moment de sa découverte.

Ces images de Pluton et de Charon ont été construites à partir de multiples observations effectuées, essentiellement, par le télescope spatial Hubble mais aussi grâce aux transits de Charon devant Pluton dans les années 1980 et aux occultations d'étoiles de 1988 et 2002. Elles constituaient la meilleure représentation de ces deux corps jusqu'à leur survol par New Horizons. © Nasa

Pluton, plus petite que la Lune

Cependant, plusieurs avancées importantes la concernant ont été effectuées au cours des dernières décennies. En 1978, son premier satellite naturel, Charon, est observé pour la première fois. Entre 1985 et 1995, la mesure des variations de luminosité provoquées par le passage de Charon devant et derrière le disque de Pluton permet d'en déduire les caractéristiques physiques. Charon, d'un diamètre de 1.190 km, gravite à 19.571 km de Pluton (centre à centre), dont le diamètre est de 2.300 km.

La planète se révèle ainsi plus petite que la Lune, avec une masse 500 fois inférieure à celle de la Terre. En 1988, l'occultation d'une étoile par Pluton démontre qu'elle est entourée d'une atmosphère, et en 1994, le télescope spatial Hubble permet d'en obtenir les premiers détails de surface.

La planète naine Pluton photographiée entre le 1er et le 3 juillet 2015 avec le télescope Lorri de New Horizons. La première indication des images de New Horizons est que Pluton est encore plus contrastée qu'on ne l'imaginait. Les parties claires sont des surfaces glacées et les régions sombres des reliefs en creux ou des amoncellements de matière organique. La région claire visible sur la partie droite de la première image est celle observée durant le survol du 14 juillet 2015. Le graphique en dessous précise la position de l’équateur de cette planète naine. On distingue une bande sombre tout au long qui se fragmente en grosses plaques (image de droite). © Nasa, JHUAPL, SwRI

L'orbite de Pluton

Pluton tourne autour du Soleil en 248 ans sur une orbite inhabituelle, fortement elliptique et très inclinée par rapport à l'écliptique. Son excentricité la fait évoluer entre 4,3 et 7,4 milliards de kilomètres du Soleil, et l'amène à pénétrer lors de son périhélie à l'intérieur de l'orbite de Neptune, où elle s'est trouvée entre 1979 à 1999, tandis que l'inclinaison de son plan orbital de 17 degrés la fait s'écarter du plan de l'écliptique de 1,25 milliard de kilomètres (en moyenne) deux fois par révolution, soit le même ordre de grandeur que la distance Soleil-Saturne.

On pourrait penser que Neptune et Pluton pourraient un jour entrer en collision. En réalité il n'en est rien, car l'inclinaison de l'orbite de Pluton est telle qu'à aucun endroit les deux trajectoires ne sont proches l'une de l'autre, la distance minimale entre les deux planètes ne descendant jamais à moins de 2,5 milliards de kilomètres, bien que les points les plus voisins de leurs orbites respectives soient beaucoup plus proches que cela.

Cela s'explique par le fait que Pluton est soumise à un phénomène dynamique appelé résonance stable, qui synchronique parfaitement les mouvements des deux corps de telle manière qu'au moment où Pluton passe par son périhélie, Neptune est situé sur son orbite à plus de 60° par rapport au Soleil. La période de Pluton autour du Soleil est exactement de 1,5 fois celle de Neptune, ce qui signifie que tous les 495 ans, la première a effectué deux révolutions et la seconde trois, et se retrouvent par conséquent dans une configuration relative parfaitement identique.

L'atmosphère de Pluton

Suite à la très forte excentricité de son orbite, l'atmosphère de pluton passe alternativement de l'état gazeux à l'état solide. Réchauffée par le rayonnement solaire comme cela a été le cas lors de son passage au périhélie en 1989, elle se présentait alors sous la forme gazeuse ainsi que cela a pu être démontré lors d'occultation d'étoiles par le disque de la planète. Depuis, elle se refroidit progressivement et les scientifiques estiment qu'elle pourrait s'être entièrement solidifiée d'ici une vingtaine d'années. La période actuelle est donc idéale pour une observation in situ de sa surface, permettant d'en comprendre les mystères. Et c'est précisément le but de la mission New Horizons.

Une carte de Pluton créée en juillet 2015 à partir des données de Lorri et Ralph, deux des sept instruments de New Horizons. © Nasa, JHUAPL, SwRI

Caractéristiques de Pluton

  • Découverte ............................................. Clyde W. Tombaugh
  • Date de découverte ................................. 18 février 1930
  • Masse (kg) ............................................. 1,29 x 1022
  • Masse (Terre = 1) ................................... 2,1586 x 10-3
  • Rayon équatorial (km) ............................. 1.184
  • Rayon équatorial (Terre = 1) .................... 1,8188 x 10-1
  • Densité moyenne (g/cm3) ........................ 2,05
  • Distance moyenne au Soleil (km) .............. 5.913.520.000
  • Distance moyenne au Soleil (Terre = 1) ..... 39,5294
  • Période de rotation (jours) ........................ -6,3872
  • Période de révolution (années) .................. 248,54
  • Vitesse orbitale moyenne (km/sec) ............ 4,67
  • Excentricité de l'orbite .............................. 0,2488
  • Inclinaison de l'axe .................................. 122,52°
  • Inclinaison de l'orbite ............................... 17,14°
  • Gravitation moyenne à l'équateur (m/s2) .... 0,4
  • Vitesse de libération (km/sec) ............ .......1,22
  • Albédo .................................................... 0,3
  • Magnitude (Vo) ....................................... 15,12
  • Composition de l'atmosphère
    Azote ..................................................... 95 %
    Méthane ................................................. ?

Charon

  • Découverte ............................................. James W. Christy
  • Date de découverte .................................. 22 juin 1978
  • Masse (kg) .............................................. 1,77 x 1021
  • Masse (Terre = 1) .................................... 2,9618 x 10-4
  • Rayon équatorial (km) .............................. environ 600
  • Rayon équatorial (Terre = 1) ..................... 9,9561 x 10-2
  • Densité moyenne (gm/cm3) ...................... 1,83
  • Distance moyenne à Pluton (km) ............... 19.640
  • Période de rotation (jours) ........................ 6,3872
  • Période de révolution (années) .................. 6,3872
  • Vitesse orbitale moyenne (km/sec) ............. 0,23
  • Excentricité de l'orbite .............................. 0
  • Inclinaison de l'orbite ............................... 98,80°
  • Vitesse de libération (km/sec) .................... 0,610
  • Albédo .................................................... 0,5
  • Magnitude (Vo) ........................................ 16,8
Le but de la sonde New Horizons est notamment l'étude de Pluton et de Charon. Ici, une illustration de la planète naine et de son satellite, avec le Soleil, minuscule, pour éclairer la scène. © Dessin réalisé en exclusivité pour Futura-Sciences par Thierry Lombry - Toute reproduction et exploitation interdites

Hydre

  • Découverte : ....................................... télescope Hubble, programme Pluto Companion Search
  • Date de la découverte : ............................ mai 2005
  • Masse : ................................................... ?
  • Rayon équatorial (km) : ............................ 30 à 84

Nix

  • Découverte : ....................................... télescope Hubble, programme Pluto Companion Search
  • Date de la découverte : ............................ mai 2005
  • Masse : .................................................. ?
  • Rayon équatorial (km) : ............................ 12 à 34

Kerbéros

  • Découverte : ....................................... télescope Hubble, programme Pluto Companion Search
  • Date de la découverte : ............................ 2011
  • Masse : .................................................. ?
  • Rayon équatorial (km) : ............................ 7 à 20

Styx

  • Découverte : ....................................... télescope Hubble, programme Pluto Companion Search
  • Date de la découverte : ............................ 2012
  • Masse : .................................................. ?
  • Rayon équatorial (km) : ............................ 5 à 13