Cette planète a été découverte par Le Verrier en 1846, à partir de l'étude des perturbations qu'elle exerce sur le mouvement d'Uranus. On a ainsi découvert mathématiquement Neptune avant de la voir dans le ciel; ce n'est qu'une fois le calcul fait qu'on l'a trouvée à l'endroit prévu (observations de Galle et d'Arrest). Et, pourtant, il suffit d'une paire de jumelles pour la voir! Neptune est assez comparable à Uranus en dimension et en composition.
Gravitant à environ 4,5 milliards de kilomètres du Soleil sur une orbite quasi circulaire, Neptune met cent soixante-cinq ans pour accomplir une révolution. Son plan équatorial est incliné de près de 30 degrés par rapport au plan de son orbite. Bien que trois fois plus petit que Jupiter, Neptune est une planète géante qui est composée à 99 p. 100 d’hydrogène et d’hélium. Avec un diamètre de 49 520 kilomètres, Neptune est à peine plus petit qu’Uranus. Cependant, sa masse est légèrement supérieure, de l’ordre de 17,2 fois celle de la Terre contre 14,5 fois pour Uranus), ce qui lui confère la masse volumique moyenne la plus élevée des planètes géantes (1,76 g/cm3).
Comme Neptune est notablement moins massif que Jupiter ou Saturne, donc moins « comprimé » par la gravité, il contient une plus grande proportion d’éléments plus lourds que l’hydrogène et l’hélium.
La découverte de Neptune eut un très grand retentissement au XIXe siècle. Elle fait date dans l’histoire des sciences car elle marque le triomphe de la mécanique céleste : le calcul permettait de découvrir un corps céleste situé à plus de 4 milliards de kilomètres de la Terre ! Dès la fin du XVIIIe siècle, les astronomes eurent de la peine à accorder les observations d’Uranus avec ses positions calculées. Alexis Bouvard, astronome à l’Observatoire de Paris, fut un des premiers à remarquer les « irrégularités » du mouvement d’Uranus. Grâce en particulier à François Arago, l’idée qu’un corps inconnu perturbait son orbite se fit alors jour, et, indépendamment, l’Anglais John Couch Adams en 1843 et Urbain Jean Joseph Le Verrier en 1846 calculèrent la position et la masse de ce corps avec une précision suffisante pour permettre sa découverte dans la constellation du Verseau. La prédiction d’Adams fut peu exploitée : l’université de Cambridge ne possédait pas de cartes à jour de la constellation du Verseau, et les collègues d’Adams n’aidèrent pas beaucoup ce nouveau chercheur, qu’ils considéraient comme trop jeune pour pouvoir faire une telle prédiction. En revanche, le 23 septembre 1846, le jour même de la réception d’une lettre de Le Verrier, Johann Gottfried Galle découvrait la nouvelle planète à l’observatoire de Berlin, à moins de 1 degré de la position prédite. Par un curieux hasard de l’histoire, deux cent trente-trois ans auparavant, Neptune était angulairement proche de Jupiter pendant l’hiver de 1612 à 1613, et Galilée, observant Jupiter le 28 décembre 1612 et le 22 janvier 1613, avait fait figurer Neptune sur ses croquis, pensant qu’il s’agissait d’une étoile.
Objet de huitième magnitude, donc invisible à l’œil nu, Neptune se présente au télescope comme un disque bleu-vert d’un diamètre apparent de l’ordre de 2 secondes d’angle ; on discerne très difficilement quelques marques dans son atmosphère.
Avant l’ère spatiale, deux satellites seulement étaient connus : Triton et Néréide. Par ailleurs, en observant des occultations d’étoiles par Neptune à partir d’observatoires différents, des chercheurs français et américains avaient, dès 1984 et 1985, simultanément détecté au moins deux « arcs » de matière autour de la planète.
Mais l’essentiel de nos connaissances sur Neptune, son environnement, ses satellites et ses anneaux proviennent des observations effectuées par la sonde Voyager-2 en 1989. Initialement conçue pour explorer Jupiter et Saturne, cette sonde avait été améliorée et réparée à distance afin d’aller étudier Uranus et Neptune. La découverte du monde de Neptune s’avérait toutefois très délicate pour deux raisons : les anneaux ainsi que les satellites sont intrinsèquement très sombres, et l’intensité du rayonnement solaire est neuf cents fois plus faible au niveau de l’orbite neptunienne que près de la Terre. Il n’était donc pas a priori évident de prendre des images à partir d’une sonde qui, de surcroît, devait survoler le système de Neptune, les 25 et 26 août, à plus de 27 kilomètres par seconde. Les ingénieurs ont cependant réussi à programmer les mouvements de Voyager-2 de manière à compenser l’effet de bougé pendant les prises de vue.
La grande tache noire sur Neptune
En quelques jours, la sonde a recueilli plusieurs milliers d’images et de spectres ainsi que des millions de mesures radio, magnétiques, de flux de particules, etc. Elle a mis en évidence six nouveaux satellites, un système d’anneaux complets et a révélé la complexité de l’atmosphère neptunienne, beaucoup plus animée qu’il n’était prévu pour un corps aussi froid. La plus grande surprise a certainement été provoquée par les images de Triton, qui ont montré un satellite à l’histoire géologique complexe et présentant encore des traces d’activité.
L’existence de vents violents, la persistance de grandes structures ovales, sortes d’immenses tourbillons, ainsi que la grande variabilité de marques plus petites étaient totalement inattendues pour une atmosphère qui reçoit du Soleil vingt fois moins d’énergie que Jupiter, ou encore trois cent cinquante fois moins d’énergie que la Terre. Les grandes structures proches de l’équateur se déplacent à une vitesse de 325 mètres par seconde par rapport à l’intérieur de Neptune tandis que de petites structures se meuvent deux fois plus vite. Avec Saturne, Neptune est la planète qui connaît les vents les plus rapides du système solaire. Comme dans le cas d’Uranus et contrairement à Jupiter et à Saturne, l’atmosphère de Neptune tourne moins vite dans les zones équatoriales qu’aux latitudes élevées. La haute atmosphère présente des nuages blancs et brillants de glace de méthane au sein d’une atmosphère très claire qui surplombe une couche nuageuse contenant des glaces d’ammoniac et de sulfure d’hydrogène. Pendant les six mois d’approche de la sonde, de nombreuses structures nuageuses apparurent et disparurent en quelques heures. Toutefois, trois d’entre elles sont restées stables : la Grande Tache sombre, la Petite Tache sombre et une troisième tache plus claire surnommée le Scooter.
Les métamorphoses extrêmement rapides des nuages brillants (parfois en moins de 40 minutes) ont beaucoup intrigué les astronomes; certains ont imaginé qu’ils seraient en fait le sommet de cellules de convection verticales ; en montant, le gaz se condenserait en cristaux solides dans les zones froides de l’atmosphère. D’autres pensent qu’ils correspondent aux crêtes d’ondes atmosphériques; ces crêtes seraient assez élevées et froides pour que le méthane se solidifie.
L’envoi par Voyager-2 d’ondes radio à travers l’atmosphère a permis de sonder cette dernière et de compléter les observations effectuées dans le visible, l’ultraviolet et l’infrarouge.
Comme Uranus, Neptune possède une atmosphère réductrice, riche en hydrogène (contrairement à la Terre, qui possède une atmosphère oxydante, riche en oxygène); elle contient environ 25 p. 100 d’hélium et au moins 1 p. 100 de méthane. La couleur bleue de cette planète est en grande partie due à l’absorption de la lumière rouge par le méthane. Dans la haute atmosphère, à une pression de l’ordre de quelques hectopascals, les molécules de méthane (CH4), dissociées par le rayonnement solaire, se recombinent pour former des hydrocarbures tels que l’éthane (C2H4) et l’acétylène (C2H2), qui ont été détectés par Voyager-2. Plus bas, à un niveau de l’ordre de 1 300 hectopascals, le méthane se condense en cristaux de glace. Encore plus bas, à 3 000 hectopascals, la présence d’une couche opaque de sulfure d’hydrogène (H2S) est suspectée. Il n’est pas impossible que de l’ammoniac (NH3) soit aussi présent à ce niveau.
Les détecteurs infrarouges de Voyager-2 ont mesuré une température moyenne de - 214 degrés C (59 K). Les régions équatoriales et polaires ont approximativement la même température; les zones intermédiaires sont plus froides de quelques degrés. Là où l’éclairement du Soleil est maximal actuellement, c’est-à-dire à ces latitudes intermédiaires, le gaz monte et se refroidit, comme sur Uranus. Vers l’équateur et les pôles, il redescend, est compressé et réchauffé. Quand on fait le bilan de l’énergie renvoyée par Neptune dans l’espace, on constate que la planète émet 2,7 fois plus d’énergie qu’elle n’en reçoit du Soleil. L’origine de ce surplus d’énergie n’est pas encore élucidée.
Huit jours avant le survol de Neptune, Voyager-2 a détecté à intervalles réguliers des « bouffées » d’ondes radio, premières manifestations du champ magnétique de la planète. Comme celui-ci est engendré par des courants électriques se déplaçant à grande profondeur, les scientifiques en ont déduit une période de rotation interne égale à l’intervalle entre deux bouffées (16 h 7 min). Neptune est légèrement aplati du fait de sa rotation. Mesuré à un niveau de pression de 1 000 hectopascals (la pression au niveau de la mer sur Terre), le rayon polaire est légèrement inférieur au rayon équatorial : 24 340 et 24 764 kilomètres, respectivement.
Neptune possède une magnétosphère. L’axe du dipôle magnétique est incliné de 47 degrés par rapport à l’axe de rotation; de plus, il est décalé : la source du champ magnétique n’est pas localisée dans le noyau, mais à mi-chemin entre le centre et l’extérieur de la planète. Quand Voyager-2 a survolé Neptune, le pôle magnétique pointait à moins de 20 degrés de la direction du Soleil, et la sonde a pénétré dans la magnétosphère de Neptune par le cornet polaire, là où les particules du vent solaire peuvent s’enfoncer profondément avant d’être repoussées. C’était la première fois, à l’exception de la Terre, qu’une telle région polaire magnétique était explorée par une sonde spatiale. Ces observations sont très importantes pour mieux connaître les magnétosphères des planètes. Celle de Neptune est la plus « vide » du système solaire : le long de l’équateur magnétique, là où les particules chargées sont le plus concentrées, Voyager-2 n’a trouvé que 1,4 protons ou particule plus lourde par centimètre cube, soit trois fois moins qu’autour d’Uranus et trois mille fois moins qu’autour de Uranus.
L’instrument ultraviolet a détecté une aurore (beaucoup plus faible que celles qui ont été observées autour des autres planètes géantes) et une légère luminescence diffuse du côté nuit de Neptune.
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