Astronomie

Pluton n’est pas une lune, mais nous en discutons ici car sa taille et sa composition sont similaires à de nombreuses lunes du système solaire externe. Notre compréhension de Pluton (et de sa grande lune Charon) a radicalement changé à la suite du survol de New Horizons en 2015.

Pluton est-elle une planète ?

Pluton a été découverte grâce à une recherche minutieuse et systématique, contrairement à Neptune, dont la position a été calculée à partir de la théorie gravitationnelle. Néanmoins, l’histoire de la recherche de Pluton a commencé avec des indications selon lesquelles Uranus avait de légers départs par rapport à son orbite prévue, des départs qui pourraient être dus à la gravitation d’une « Planète X » non découverte. »Au début du XXe siècle, plusieurs astronomes, notamment Percival Lowell, alors au sommet de sa renommée en tant que défenseur de la vie intelligente sur Mars, se sont intéressés à la recherche de cette neuvième planète.

Lowell et ses contemporains ont basé leurs calculs principalement sur de minuscules irrégularités inexpliquées dans le mouvement d’Uranus. Les calculs de Lowell indiquaient deux emplacements possibles pour une planète perturbatrice X ; le plus probable des deux était dans la constellation des Gémeaux. Il a prédit une masse pour la planète intermédiaire entre les masses de la Terre et de Neptune (ses calculs ont donné environ 6 masses terrestres). D’autres astronomes, cependant, ont obtenu d’autres solutions à partir des minuscules irrégularités orbitales, incluant même un modèle indiquant deux planètes au-delà de Neptune.

À son observatoire de l’Arizona, Lowell chercha sans succès la planète inconnue de 1906 jusqu’à sa mort en 1916, et la recherche ne fut renouvelée qu’en 1929. En février 1930, un jeune assistant d’observation nommé Clyde Tombaugh (voir Clyde Tombaugh: De la ferme à la gloire ci-dessous), en comparant les photographies qu’il a faites les 23 et 29 janvier de la même année, a trouvé un objet faible dont le mouvement semblait être à peu près juste pour une planète bien au-delà de l’orbite de Neptune (Figure 1). La nouvelle planète a été nommée en l’honneur de Pluton, le dieu romain des enfers, qui habitait dans les ténèbres lointaines, tout comme la nouvelle planète. Le choix de ce nom, parmi des centaines suggérées, a été aidé par le fait que les deux premières lettres étaient les initiales de Percival Lowell.

Figure 1: Le mouvement de Pluton. Parties des deux photographies par lesquelles Clyde Tombaugh a découvert Pluton en 1930. La gauche a été prise le 23 janvier et la droite le 29 janvier. Notez que Pluton, indiquée par une flèche, s’est déplacée parmi les étoiles pendant ces six nuits. Si nous n’avions pas placé une flèche à côté, vous n’auriez probablement jamais repéré le point qui a bougé. (crédit: modification des travaux des Archives de l’Observatoire Lowell)

Bien que la découverte de Pluton semblait initialement être une justification de la théorie gravitationnelle similaire au triomphe antérieur d’Adams et de Le Verrier dans la prédiction de la position de Neptune, nous savons maintenant que les calculs de Lowell étaient erronés. Lorsque sa masse et sa taille ont finalement été mesurées, il a été constaté que Pluton n’aurait pu exercer aucune traction mesurable sur Uranus ou Neptune. Les astronomes sont maintenant convaincus que les petites anomalies signalées dans les mouvements d’Uranus ne sont pas et n’ont jamais été réelles.

Dès sa découverte, il était clair que Pluton n’était pas une géante comme les quatre autres planètes du système solaire externe. Pendant longtemps, on a pensé que la masse de Pluton était similaire à celle de la Terre, de sorte qu’elle était classée comme une cinquième planète terrestre, en quelque sorte égarée dans les confins lointains du système solaire. Il y avait d’autres anomalies, cependant, car l’orbite de Pluton était plus excentrique et inclinée par rapport au plan de notre système solaire que celle de toute autre planète. Ce n’est qu’après la découverte de sa lune Charon en 1978 que la masse de Pluton a pu être mesurée, et elle s’est avérée bien inférieure à la masse de la Terre.

Figure 2: Comparaison des Tailles de Pluton et de sa Lune Charon avec la Terre. Ce graphique montre clairement à quel point Pluton est minuscule par rapport à une planète terrestre comme la Terre. C’est la principale justification pour placer Pluton dans la classe des planètes naines plutôt que des planètes terrestres. (crédit : modification des travaux de la NASA)

En plus de Charon, Pluton possède quatre petites lunes. Les observations ultérieures de Charon ont montré que cette lune est sur une orbite rétrograde et a un diamètre d’environ 1200 kilomètres, soit plus de la moitié de la taille de Pluton elle-même (Figure 2). Cela fait de Charon la lune dont la taille est la plus grande fraction de sa planète mère. Nous pourrions même considérer Pluton et Charon comme un double monde. Vu de Pluton, Charon serait aussi grand que huit pleines lunes sur Terre.

Pour de nombreux astronomes, Pluton semblait être l’étrange cousine que tout le monde espère ne pas apparaître lors de la prochaine réunion de famille. Ni son trajet autour du Soleil ni sa taille ne ressemblent aux planètes géantes ni aux planètes terrestres. Dans les années 1990, les astronomes ont commencé à découvrir d’autres petits objets dans le système solaire lointain, montrant que Pluton n’était pas unique. Nous discuterons de ces objets transneptuniens plus tard avec d’autres petits corps, dans le chapitre sur les Comètes et les Astéroïdes: Débris du Système solaire. L’un d’eux (appelé Eris) a presque la même taille que Pluton, et un autre (Makemake) est sensiblement plus petit. Il est devenu clair pour les astronomes que Pluton était si différente des autres planètes qu’elle avait besoin d’une nouvelle classification. Par conséquent, on l’appelait une planète naine, ce qui signifie une planète beaucoup plus petite que les planètes terrestres. Nous connaissons maintenant de nombreux petits objets à proximité de Pluton et nous en avons classé plusieurs comme planètes naines.

Une histoire similaire a été associée à la découverte des astéroïdes. Lorsque le premier astéroïde (Cérès) a été découvert au début du XIXe siècle, il a été salué comme une nouvelle planète. Dans les années suivantes, cependant, d’autres objets ont été trouvés avec des orbites similaires à Cérès. Les astronomes ont décidé que ceux-ci ne devaient pas tous être considérés comme des planètes, ils ont donc inventé une nouvelle classe d’objets, appelés planètes mineures ou astéroïdes. Aujourd’hui, Cérès est aussi appelée une planète naine. Les planètes mineures et les planètes naines font partie de toute une ceinture ou des zones d’objets similaires (comme nous le verrons dans Comètes et astéroïdes: Débris du Système solaire).

Alors, Pluton est-elle une planète? Notre réponse est oui, mais c’est une planète naine, clairement pas dans la même ligue que les huit planètes majeures (quatre géantes et quatre terrestres). Alors que certaines personnes étaient bouleversées lorsque Pluton a été reclassée, nous pourrions souligner qu’un arbre nain est toujours un type d’arbre et (comme nous le verrons) une galaxie naine est toujours un type de galaxie.

Clyde Tombaugh: De la ferme à la gloire

Clyde Tombaugh a découvert Pluton à l’âge de 24 ans, et son poste d’assistant à l’Observatoire Lowell était son premier emploi rémunéré. Tombaugh était né dans une ferme de l’Illinois, mais quand il avait 16 ans, sa famille a déménagé au Kansas. Là, avec les encouragements de son oncle, il observa le ciel à travers un télescope que la famille avait commandé au catalogue Sears. Plus tard, Tombaugh construisit lui-même un télescope plus grand et consacra ses nuits (quand il n’était pas trop fatigué du travail à la ferme) à faire des croquis détaillés des planètes (Figure 3).

Figure 3 : Clyde Tombaugh (1906-1997). (a) Tombaugh est photographié sur sa ferme familiale en 1928 avec un télescope de 9 pouces qu’il a construit. (b) Ici, Tombaugh regarde à travers un oculaire à l’Observatoire Lowell. (crédit b: modification des travaux par la NASA)

En 1928, après qu’une tempête de grêle a ruiné la récolte, Tombaugh a décidé qu’il avait besoin d’un emploi pour aider à subvenir aux besoins de sa famille. Bien qu’il n’ait fait que des études secondaires, il pensait devenir constructeur de télescopes. Il a envoyé ses croquis de planète à l’Observatoire Lowell, cherchant à savoir si un tel choix de carrière était réaliste. Par une merveilleuse tournure du destin, sa requête est arrivée juste au moment où les astronomes de Lowell ont réalisé qu’une recherche renouvelée d’une neuvième planète nécessiterait un observateur très patient et dévoué.

Les grandes plaques photographiques (morceaux de verre avec émulsion photographique dessus) que Tombaugh a été engagé pour prendre la nuit et rechercher pendant la journée contenaient en moyenne environ 160 000 images d’étoiles chacune. Comment trouver Pluton parmi eux? La technique consistait à prendre deux photographies à environ une semaine d’intervalle. Pendant cette semaine, une planète se déplaçait un tout petit peu, tandis que les étoiles restaient au même endroit les unes par rapport aux autres. Un nouvel instrument appelé « comparateur de clignotement » pourrait rapidement alterner les deux images dans un oculaire. Les étoiles, étant dans la même position sur les deux plaques, ne semblent pas changer car les deux images ont été « clignotées. »Mais un objet en mouvement semble se tortiller d’avant en arrière lorsque les plaques sont alternées.

Après avoir examiné plus de 2 millions d’étoiles (et de nombreuses fausses alarmes), Tombaugh a trouvé sa planète le 18 février 1930. Les astronomes de l’observatoire ont soigneusement vérifié ses résultats et la découverte a été annoncée le 13 mars, 149e anniversaire de la découverte d’Uranus. Les félicitations et les demandes d’interviews ont afflué du monde entier. Les visiteurs sont descendus sur l’observatoire par dizaines, voulant voir l’endroit où la première nouvelle planète en près d’un siècle avait été découverte, ainsi que la personne qui l’avait découverte.

En 1932, Tombaugh a pris congé de Lowell, où il avait continué à chercher et à cligner des yeux, pour obtenir un diplôme universitaire. Finalement, il obtient une maîtrise en astronomie et enseigne la navigation pour la Marine pendant la Seconde Guerre mondiale.En 1955, après avoir travaillé au développement d’un télescope de poursuite de fusées, il devient professeur à l’Université d’État du Nouveau-Mexique, où il participe à la fondation du département d’astronomie. Il est décédé en 1997; certaines de ses cendres ont été placées à l’intérieur de la sonde New Horizons vers Pluton.

La nature de Pluton

En utilisant les données de la sonde New Horizons, les astronomes ont mesuré le diamètre de Pluton à 2370 kilomètres, seulement 60 % aussi grand que notre Lune. D’après le diamètre et la masse, nous trouvons une densité de 1,9 g / cm3, suggérant que Pluton est un mélange de matériaux rocheux et de glace d’eau dans les mêmes proportions que de nombreuses lunes de planètes externes.

Des parties de la surface de Pluton sont hautement réfléchissantes, et son spectre démontre la présence à sa surface de méthane, de monoxyde de carbone et d’azote gelés. La température maximale de surface varie d’environ 50 K lorsque Pluton est la plus éloignée du Soleil à 60 K lorsqu’elle est la plus proche. Même cette petite différence est suffisante pour provoquer une sublimation partielle (passant du solide au gaz) de la glace de méthane et d’azote. Cela génère une atmosphère lorsque Pluton est proche du Soleil, et elle gèle lorsque Pluton est plus loin. Les observations d’étoiles lointaines vues à travers cette atmosphère mince indiquent que la pression de surface est d’environ un dix millième de celle de la Terre.Comme Pluton est quelques degrés plus chaude que Triton, sa pression atmosphérique est environ dix fois plus élevée. Cette atmosphère contient plusieurs couches de brume distinctes, probablement causées par des réactions photochimiques, comme celles de l’atmosphère de Titan (Figure 4).

Figure 4: Couches de brume dans l’atmosphère de Pluton. C’est l’une des photos de Pluton à la plus haute résolution, prise par la sonde New Horizons 15 minutes après son approche la plus proche. Il montre 12 couches de brume. Notez également la chaîne de montagnes avec des hauteurs allant jusqu’à 3500 mètres. (crédit: modification des travaux de la NASA / Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory / Southwest Research Institute)

Atteindre Pluton avec un vaisseau spatial était un défi majeur, en particulier à une époque où les budgets réduits de la NASA ne pouvaient pas supporter de grandes missions coûteuses comme Galileo et Cassini. Pourtant, comme Galilée et Cassini, une mission sur Pluton nécessiterait un système électrique nucléaire qui utiliserait la chaleur du plutonium pour générer l’énergie nécessaire pour alimenter les instruments et les maintenir loin de la chaleur du Soleil. La NASA a mis à disposition l’un des derniers générateurs nucléaires pour une telle mission. En supposant qu’un vaisseau spatial abordable mais très performant puisse être construit, il restait le problème de se rendre à Pluton, à près de 5 milliards de kilomètres de la Terre, sans attendre des décennies. La réponse était d’utiliser la gravité de Jupiter pour lancer le vaisseau spatial vers Pluton.

Le lancement de New Horizons en 2006 a démarré la mission à grande vitesse, et le survol de Jupiter juste un an plus tard lui a donné le coup de pouce supplémentaire nécessaire. Le vaisseau spatial New Horizons est arrivé à Pluton en juillet 2015, voyageant à une vitesse relative de 14 kilomètres par seconde (soit environ 50 000 kilomètres par heure). Avec cette vitesse élevée, toute la séquence de survol a été compressée en une seule journée. La plupart des données enregistrées à proximité de l’approche la plus proche n’ont pu être transmises à la Terre que plusieurs mois plus tard, mais lorsqu’elles sont finalement arrivées, les astronomes ont été récompensés par un trésor d’images et de données.

Premières vues rapprochées de Pluton

Figure 5: Image Couleur globale de Pluton. Cette image de New Horizons montre clairement la variété des terrains sur Pluton. La zone sombre en bas à gauche est recouverte de cratères d’impact, tandis que la grande zone claire au centre et en bas à droite est un bassin plat dépourvu de cratères. Les couleurs que vous voyez sont quelque peu améliorées pour faire ressortir des différences subtiles. (crédit: modification des travaux de la NASA / Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory /Southwest Research Institute)

Pluton n’est pas le monde géologiquement mort que beaucoup attendaient pour un si petit objet – loin de là. La division de la surface en zones de composition et de texture de surface différentes est apparente sur la photo couleur globale illustrée à la figure 5. La couleur rougeâtre est améliorée dans cette image pour faire ressortir plus clairement les différences de couleur. Les parties les plus sombres de la surface semblent être en cratères, mais à côté d’elles se trouve une zone de lumière presque sans relief dans le quadrant inférieur droit de cette image. Les zones sombres montrent des couleurs de brume photochimique ou de smog similaires à celles de l’atmosphère de Titan. Le matériau sombre qui tache ces anciennes surfaces pourrait provenir de la brume atmosphérique de Pluton ou de réactions chimiques se produisant à la surface sous l’action de la lumière du soleil.

Les zones claires sur la photo sont des bassins de plaine. Ce sont apparemment des mers d’azote gelé, peut-être à plusieurs kilomètres de profondeur. L’azote et le méthane peuvent s’échapper de Pluton lorsqu’il se trouve dans la partie de son orbite proche du Soleil, mais seulement très lentement, il n’y a donc aucune raison qu’un vaste bol d’azote gelé ne puisse pas persister longtemps.

La figure 6 montre quelques-unes des caractéristiques de surface remarquables de Nouveaux horizons révélés. À droite de cette image, nous voyons le « rivage » du vaste bol de glace d’azote que nous avons vu comme la région lisse de la figure 5. Surnommée temporairement les « plaines du Spoutnik », du nom du premier objet humain à pénétrer dans l’espace, cette région ronde mesure environ mille kilomètres de large et montre des cellules ou des polygones intrigants d’une largeur moyenne de plus de 30 kilomètres. Les montagnes au milieu sont de grands blocs de glace d’eau gelée, certains atteignant des hauteurs de 2 à 3 kilomètres.

Figure 6:Diversité du terrain sur Pluton. Cette vue couleur améliorée d’une bande de la surface de Pluton d’environ 80 kilomètres de long montre une variété de caractéristiques de surface différentes. De gauche à droite, nous traversons d’abord une région de « badlands” avec quelques cratères visibles, puis nous traversons une large gamme de montagnes faites de glace d’eau et recouvertes du matériau plus rouge que nous avons vu sur l’image précédente. Puis, à droite, nous arrivons au « rivage » de la grande mer d’azote gelé que les scientifiques de la mission ont surnommée les « plaines de Spoutnik ». »Cette mer d’azote est divisée en cellules ou segments mystérieux de plusieurs kilomètres de diamètre. (crédit: modification des travaux de la NASA / Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory /Southwest Research Institute)

La figure 7 montre une autre vue de la frontière entre différents types de géologie. La largeur de cette image est de 250 kilomètres, et elle montre un terrain sombre, ancien et fortement cratérisé; un terrain sombre et non gratté avec une surface vallonnée; un terrain lisse et géologiquement jeune; et un petit groupe de montagnes de plus de 3000 mètres de haut. Dans les meilleures images, les zones claires de glace d’azote semblent avoir coulé un peu comme des glaciers sur Terre, couvrant une partie du terrain plus ancien en dessous d’eux.

Les montagnes isolées au milieu des plaines d’azote lisses sont probablement également faites de glace d’eau, qui est très dure aux températures de Pluton et peut flotter sur de l’azote gelé. D’autres montagnes et certains terrains vallonnés qui rappelaient la peau de serpent aux scientifiques de la mission sont visibles dans la partie (b) de la figure 7. Ce sont des interprétations préliminaires à partir des premières données provenant de New Horizons en 2015 et au début de 2016. Au fil du temps, les scientifiques auront une meilleure compréhension de la géologie unique de Pluton.

Figure 7: Diversité des terrains sur Pluton. (a) Sur cette photo, sur environ 250 kilomètres de diamètre, nous pouvons voir de nombreux types de terrains différents. Au fond se trouvent des hauts plateaux plus anciens et cratérisés; une région de collines en forme de V sans cratères pointe vers le bas de l’image. Autour de la région sombre en forme de V se trouve la plaine d’azote gelée lisse et plus brillante, agissant comme le font les glaciers sur Terre. Certaines montagnes isolées, faites de glace d’eau gelée, flottent dans l’azote près du haut de l’image. (b) Cette scène fait environ 390 kilomètres de diamètre. Les montagnes arrondies, très différentes de celles que nous connaissons sur Terre, sont nommées Tartarus Dorsa. Les motifs, faits de crêtes répétitives avec le terrain plus rougeâtre entre elles, ne sont pas encore compris. (crédit a, b: modification des travaux de la NASA / Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory / Southwest Research Institute)

Un rapide coup d’œil sur Charon

Pour ajouter aux mystères de Pluton, nous montrons sur la Figure 8 l’une des meilleures images de New Horizons de la grande lune de Pluton, Charon. Rappelons que Charon est à peu près la moitié de la taille de Pluton (son diamètre est à peu près de la taille du Texas). Charon garde le même côté vers Pluton, tout comme notre Lune garde le même côté vers la Terre. Ce qui est unique dans le système Pluton-Charon, cependant, c’est que Pluton garde également son même visage vers Charon. Comme deux danseurs qui s’embrassent, ces deux-là se font constamment face alors qu’ils tournent sur la piste de danse céleste. Les astronomes appellent cela un double verrou de marée.

Figure 8 : Charon, la Grande Lune de Pluton. (a) Dans cette image de New Horizons, la couleur a été améliorée pour faire ressortir la couleur de l’étrange calotte polaire rouge de la lune. Charon a un diamètre de 1214 kilomètres et la résolution de cette image est de 3 kilomètres. (b) Ici, nous voyons la lune sous un angle légèrement différent, en couleur vraie. L’encart montre une zone d’environ 390 kilomètres de haut en bas. Près de la partie supérieure gauche se trouve une caractéristique intrigante — ce qui semble être une montagne au milieu d’une dépression ou d’un fossé. (crédit a, b: modification des travaux de la NASA / JHUAPL/SwRI)

Ce que New Horizons a montré était un autre monde complexe. Il y a des cratères dispersés dans la partie inférieure de l’image, mais une grande partie du reste de la surface semble lisse. Traversant le centre de l’image se trouve une ceinture de terrain accidenté, y compris ce qui semble être des vallées tectoniques, comme si certaines forces avaient tenté de séparer Charon. Pour couronner cette image étrange, une calotte polaire nettement rouge, de composition inconnue. De nombreuses caractéristiques de Charon ne sont pas encore comprises, y compris ce qui semble être une montagne au milieu d’une région de faible altitude.