Publié le 10 Novembre 2018 par cepheides

Publié dans : #astronomie

DE L'ASTRONOMIE : Neptune et Uranus, planètes de glaces

Neptune

Pour la majorité de nos contemporains, il existe deux types de planètes peuplant le système solaire : les planètes telluriques comme la Terre ou Vénus et les géantes gazeuses comme Jupiter ou Uranus. En réalité, pour ce qui concerne ces dernières, les planètes géantes, c’est un peu plus compliqué que ça : il n’est donc pas inutile de revenir sur des caractéristiques souvent mal ou peu connues.

Telluriques et géantes

La Terre, comme Mars, Vénus et Mercure - en somme les planètes les plus proches du Soleil - sont des planètes telluriques, c’est-à-dire des astres comprenant principalement des roches et du métal. Ces planètes sont composées de trois couches ou enveloppes concentriques : le noyau, le manteau et, en surface, la croûte.

une planète tellurique typique : la Terre

Cette surface est solide, principalement faite de matériaux non volatils (fer métallique et roches silicatées). Par voie de conséquence, la densité de ces planètes est relativement élevée, aux alentours de 5 (de 4 à 5,7 pour être plus précis). On peut rapprocher de ces structures certains gros satellites comme évidemment la Lune mais aussi Io, la plus grosse lune de Jupiter, qui, stricto sensu, peuvent également être qualifiés de telluriques.

Du fait que, à notre connaissance, la Vie telle qu’on l’imagine n’est apparue que sur Terre, on la cherche également sur d’autres planètes telluriques, éventuellement sur Mars, mais surtout sur des exoplanètes que nos instruments arrivent à présent à repérer bien que cette détection soit rendue particulièrement difficile en raison de leur petite taille relative.

Géantes : gazeuses et planètes de glaces

Les quatre planètes plus extérieures du système solaire sont des géantes dites gazeuses. Totalement différentes des planètes telluriques que nous venons d’évoquer, ces planètes sont composées essentiellement de gaz, à la manière de Jupiter, la cinquième planète, la plus grosse de tout le système, plus volumineuse et massive que toutes les autres planètes réunies.

Toutefois, si Saturne présente bien une structure analogue à Jupiter, dès les années 1990, il est apparu que ce n’était pas réellement le cas pour les deux autres, Uranus et Neptune. En effet, Jupiter et Saturne sont principalement composées de

et une planète gazeuse typique : Jupiter

gaz légers, essentiellement de l’hydrogène et de l’hélium (environ 90% de la masse de Jupiter, par exemple).

Il en va tout autrement pour nos deux planètes extérieures, Uranus et Neptune. Ces deux géantes ne sont pas que « gazeuses » car elles contiennent aussi des composés volatils tels que du méthane, de l’ammoniac et de l’eau. Il s’agit là d’éléments intermédiaires plus lourds que les gaz de type jovien mais bien plus légers que les matières rocheuses et métalliques qui composent les planètes telluriques. On parle alors de planètes de glaces (avec un s), de sous-géantes ou mieux encore de « Neptune ». Précisons pour les anglicistes que si, en anglais, le mot « ice » est au singulier (car en épithète invariable), il est impératif en français d’utiliser le pluriel puisque, au-delà du cas de l’eau, il existe bien d’autres types de glaces.

Comme pour les géantes gazeuses, des exoplanètes de ce type ont été découvertes ces dernières années et comme pour les gazeuses et ses Jupiter chauds ou froids , il a été décrit des Neptune chaudes en orbite proche de leur étoile et des Neptune froides comme dans le système solaire.

Planètes de glaces et planètes de glace

En astronomie, certains termes peuvent être trompeurs (on se rappelle ainsi que les étoiles sont soit des géantes ou supergéantes, soit des naines, sans que jamais on ne parle d’étoiles « normales » ou « moyennes »). Le terme de « glace » est ici aussi un faux-ami. En effet, en astrophysique, n’importe quel élément plus lourd que l’hydrogène et l’hélium mais moins lourd que les métaux et les silicates est dénommé « glace ». Il s’agit donc non d’un état de la matière mais d’un terme qui désigne des éléments chimiques. En d’autres termes, il existe pour chaque élément (azote, carbone, oxygène, méthane, etc.) une « ligne de glace » à partir de laquelle un corps de gazeux devient solide, c’est-à-dire « de glace ». Cette limite est évidemment variable selon les éléments considérés et la température ambiante et une planète de glaces correspondra au type de planètes dont l’ensemble des éléments (hors hélium et hydrogène) sera solide.

Par contre, si l’on veut évoquer l’eau à l’état solide, donc à basse température, on

Europe, satellite de Jupiter, est une planète de glaces

parlera d’élément « gelé » (et non de glace) ; une planète très froide dont la surface renferme beaucoup d’eau sera une « planète gelée » plutôt qu’une planète glacée qui pourrait prêter à confusion. Cela peut sembler curieux mais si l’on ignore cette terminologie, on ne peut rien comprendre à ce qu’est une planète de glaces…

Les planètes de glaces comme Uranus et Neptune mais également les lunes de glaces comme Encelade (satellite de Saturne) ou Europe (satellite de Jupiter) sont donc composées d’éléments dits de glaces (d’où le pluriel) qui n’ont aucun rapport avec leur température de surface, certaines exoplanètes « de glaces » atteignant des températures formidablement élevées.

Uranus et Neptune

Il n’est pas surprenant que Uranus et Neptune soient restées longtemps cataloguées comme des géantes gazeuses typiques. Ces deux planètes, en effet, sont les deux les plus éloignées de nous et il a fallu attendre le télescope spatial Hubble et les télescopes terrestres ultra-performants de ces dernières années pour comprendre leur structure.

Uranus est visible à l’œil nu et, néanmoins, longtemps on passera à côté de son caractère planétaire, probablement en raison de son éclat extrêmement faible, à la limite du visible. C’est pourtant la troisième planète du système solaire par la taille mais elle est si lointaine et elle bouge si lentement (elle met 84 ans pour faire sa révolution autour du Soleil) qu’il faudra attendre la fin du XVIIIème siècle pour

qu’un astronome britannique, William Herschel, reconnaisse son statut de planète le 13 mars 1781. Pour se donner une idée de la distance qui nous sépare d’Uranus, il suffit de comparer le temps que met la lumière du Soleil pour parvenir jusqu’à la Terre (un peu plus de 8 minutes) et sur Uranus (environ 2 heures et 40 minutes). Caractère également remarquable, Uranus est la planète la plus froide du système solaire avec une température pouvant descendre jusqu’à -224°.

Cette planète lointaine est longtemps passée au second plan des préoccupations des scientifiques puisqu’elle n’a été visitée qu’une seule fois, en 1986, par la sonde Voyager 2 avant que cette dernière ne s’enfonce dans les espaces infinis. Toutefois, semble-t-il, les priorités pourraient prochainement changer.

Encore plus lointaine ! La lumière solaire met plus de quatre heures (4 heures et 12 minutes) pour atteindre Neptune et puisque Pluton a été rétrogradée en planète naine, c’est la dernière planète du système. Elle a été découverte indirectement grâce au calcul mathématique. C’est en effet par les nombres et les équations que l’astronome français Urbain Le Verrier permit son identification en se fondant sur les perturbations de la trajectoire d’Uranus. Le Verrier était persuadé que les légères anomalies du parcours de cette planète ne pouvait qu’être la conséquence de l’influence gravitationnelle d’une autre. Après avoir longtemps calculé, il proposa de braquer les télescopes à un endroit et à un moment bien précis et, effectivement, Neptune était au rendez-vous…

Un peu plus petite que sa « voisine » Uranus, elle est en revanche un peu plus massive : c’est la quatrième planète en taille du système solaire et c’est aussi une planète de glaces. Bien sûr, son atmosphère est composée surtout d’hydrogène et d’hélium mais avec la présence d’eau, d’ammoniac et de méthane (les fameuses « glaces » au sens astrophysique du terme). C’est d’ailleurs le méthane qui confère à la planète sa teinte bleue (photo du début). En 1989, Voyager 2 observa sur Neptune une grande tache sombre, analogue à la grande tache rouge de Jupiter (dont on sait qu’elle trahit la présence d’une immense tempête se prolongeant depuis des siècles). Perturbations atmosphériques puissantes donc sur Neptune, à la différence près que la grande tache observée en 1989 a aujourd’hui disparu. Il n’en reste pas moins que Neptune est une planète plutôt hostile car, outre son atmosphère de méthane et d’ammoniac, les vents y soufflent jusqu’à 2100 km/h et la température y descend jusqu’à -218°, à peine moins froid qu’Uranus.

Sait-on comment se forment les géantes gazeuses ?

Concernant les géantes gazeuses de type jovien, la communauté scientifique était arrivée à un relatif consensus sur leur formation. On pensait que celle-ci était grosso modo identique à celle des planètes telluriques, à savoir :

* comme leur étoile, elles se seraient formées à partir de la nébuleuse originelle, par accrétion progressive de poussière et de glaces ;

* la différence entre planètes telluriques et gazeuses serait due au fait que, plus l’objet en devenir est proche de l’étoile centrale, plus d’éléments chimiques sont détruits ne laissant que les roches silicatées et les métaux (planètes telluriques) ;

* à distance du Soleil, toutefois, beaucoup plus d’éléments peuvent subsister comme, par exemple, l’oxygène et le carbone. De ce fait pourront se constituer des planétésimaux plus massifs que vers l’intérieur du système, des noyaux solides qui, une fois atteinte une certaine taille critique évaluée à une dizaine de masses terrestres, pourront retenir grâce à leurs forces gravitationnelles des éléments plus volatils comme l’hydrogène et l’hélium, particulièrement abondants dans le système stellaire embryonnaire. Voilà comment était imaginée la formation des géantes gazeuses.

Malheureusement pour les théoriciens, l’étude de planètes extrasolaires depuis les années 1990 allait tout remettre en question. En effet, si l’on retient le modèle que nous venons d’exposer

, un point est essentiel : il est impératif que les géantes gazeuses se forment à une distance raisonnable de l’étoile centrale. Or l’observation des planètes extrasolaires montre l’existence de géantes gazeuses à courte période orbitale de quelques jours seulement ce qui les place tout contre leur étoile avec des températures de surface de l’ordre de 1000°. Comment cela est-il possible ? Par l’introduction d’une notion appelée « migration planétaire ». Ces géantes gazeuses qu’on appelle dès lors des Jupiter chauds se seraient secondairement rapprochées du centre du système…

Bon, admettons. Hélas, il y a une dizaine d’années, la poursuite de l’exploration des planètes extrasolaires a apporté une autre surprise : le présence d’une géante gazeuse tournant en un seul jour autour de son étoile ce qui veut dire qu’elle est presque « à touche-touche » avec elle. Comment fait-elle pour ne pas être détruite ? Problème.

Quelques années plus tard, en 2008, les scientifiques mettent en évidence l’existence d’une géante gazeuse en formation (!) de moins de 10 millions d’années, dix fois plus massive que Jupiter et vingt-cinq fois plus proche de son étoile que la Terre du Soleil. L’étoile en question étant très jeune (100 millions d’années), on se passionne pour ce nouveau couple atypique mais le moins que l’on puisse dire est que la théorie de formation des géantes gazeuses est loin d’être définitive.

Et les géantes de glaces ?

Puisque les géantes de glaces contiennent de grandes quantités de gaz, comme les géantes gazeuses, elles se forment également très tôt, juste après la naissance du disque d’accrétion protoplanétaire : les spécialistes avancent l’ordre de 3 à 10 millions d’années. Toutefois, c’est leur position excentrée qui va les différencier des gazeuses comme Jupiter. Puisque si lointaines, elles capturent, en effet, de nombreuses glaces, notamment d’eau évidemment, mais également d’éléments volatils plus lourds que l’hélium et l’hydrogène comme, par exemple, l’azote ou le carbone. Comme pour les géantes gazeuses classiques, une migration planétaire est envisagée

et si, en migrant, une planète de glaces devenait une planète-océan ?

pour expliquer l’existence de « Neptune » chaudes dont, au fur et à mesure de leur migration, les caractéristiques peuvent devenir étranges : l’une d’entre elles, Gliese 436b présente encore de la glace d’eau solide alors que la température de surface avoisine les 440° ! Ailleurs, on peut imaginer que, après avoir longtemps gardé leur atmosphère, certaines de ces planètes peuvent théoriquement se transformer en « planètes-océan » comme celle décrite dans Star Wars, le célèbre film de science-fiction.

Exoplanètes gazeuses et gazeuses de glaces

Les études de plus en plus fines qui s’intéressent aux exoplanètes concernent au premier chef les planètes telluriques ; les seules d’après les scientifiques susceptibles d’abriter un embryon de vie et on sait bien que la recherche d’une vie extraterrestre, si ténue soit-elle, est un des grands défis de l’astronomie moderne. Toutefois, les planètes telluriques sont toujours très petites comparées aux géantes gazeuses et c’est surtout ces dernières que révèlent nos télescopes. Il aura fallu de nombreuses années avant que l’on se rende compte que Neptune et Uranus étaient différentes de leurs cousines Jupiter et Saturne. On retrouve ce distinguo au delà du système solaire ce qui, au demeurant, est parfaitement logique car si l’on suppose qu’il existe un mécanisme universel de formation des planètes, les mêmes causes produisent les mêmes effets. En somme, on identifie - et c’est heureux - dans le cosmos des structures voisines de celles qui nous entourent dans le système solaire : on l’a déjà évoqué ici, les lois de la physique sont partout les mêmes. Neptune et Uranus ont sans doute beaucoup à nous apprendre sur cette variété de planètes - dites de glaces - qui existent dans le cosmos. Il semble que la NASA et l’ESA commencent à s’intéresser à ces objets si particuliers.

Sources :

1. www.univers-et-espace.com/

2. Wikipedia.org

3. astronomie.savoir.fr/

4. www.meteomedia.com/ca

5. www.futura-sciences.com/sciences

Images

1. Neptune (sources : exoplanetes.univers-et-espace.com)

2. la Terre (sources : videoblocks.com)

3. Jupiter (sources : imgkid.com)

4. Europe (sources : syti.net)

5. Uranus (sources : astronomytrek.com)