A la limite de visibilité à l’œil nu, Uranus peut être observée avec des jumelles. Elle se déplace très lentement dans le ciel du fait de son éloignement. On savait très peu de chose sur Uranus avant que la sonde Voyager 2 la visite en janvier 1986. On savait toutefois que son atmosphère contenait beaucoup de méthane et, en 1977, on avait découvert un système d'anneaux grâce à une occultation d'étoile. En effet, à la faveur du passage d'Uranus devant une étoile assez brillante, on avait noté des fluctuations dans l'éclat de cette étoile avant qu'elle disparaisse derrière le globe d'Uranus, puis les fluctuations s'étaient répétées de manière symétrique de l'autre coté, montrant ainsi qu'il devait y avoir des anneaux.
La sonde Voyager 2 a permis de fixer à quinze le nombre de satellites d'Uranus alors que cinq seulement étaient connus jusque-là. Les images ont montré qu'ils ressemblaient aux satellites de Saturne, glacés et criblés de cratères.
Cette planète sœur de Jupiter et de Saturne a une particularité étonnante: son axe de rotation est basculé sur son plan orbital de presque 90 degrés (et les anneaux avec, bien entendu). Comme elle met 84 ans pour faire un tour autour du Soleil, cela l'amène à présenter ses anneaux face au Soleil tous les 42 ans. A ce moment-là, et pour plusieurs années, un hémisphère entier reste au Soleil pendant que l'autre reste dans l'ombre.
Près de deux fois et demie plus petite et située deux fois plus loin du Soleil que Saturne, la planète Uranus a une magnitude de l’ordre de 6, ce qui est à la limite de la détection à l’oeil nu.
Un observateur expérimenté peut cependant l’apercevoir par une nuit claire; elle apparaît alors comme une étoile très faible. 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 amateur William Herschel qui, observant par hasard la constellation des Gémeaux à l’aide d’un télescope de 16 centimètres d’ouverture, remarqua un objet qui n’était pas ponctuel comme une étoile. Il crut 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 plus de 3 milliards de kilomètres du Soleil. Son mouvement apparent n’avait jamais été remarqué avant sa découverte, et pourtant Uranus a 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. Uranus apparaît donc, même à l’aide de plus gros télescopes, comme un petit disque bleu verdâtre sur lequel on ne discerne aucun détail. En 1994, cependant le télescope spatial Hubble a obtenu des images détaillées du disque de Neptune, sur lesquelles on distingue les grands traits de son atmosphère.
D’un diamètre quatre fois plus grand que celui de la Terre, il possède un système complet de satellites réguliers. (21 au 01/01)
Comme Jupiter, Saturne et Neptune, il possède un système d’anneaux. Sa période de rotation est égale à 17 heures 14 minutes. 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.
Le 24 janvier 1986, Uranus était survolé par Voyager-2. 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’étonnant petit 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 transmis à la Terre.
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 p. 100, ce qui correspond à la quantité d’hélium (mesurée par rapport à l’hydrogène) qu’on trouve 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 7 000 kelvins, et la pression 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. L’atmosphère contient de nombreux composés mineurs comme le méthane.
La pression dans les parties centrales n’est pas assez forte pour que l’hydrogène atteigne l’état liquide et soit conducteur du courant électrique. Le fait que la densité d’Uranus soit supérieure à celle de Saturne et de Jupiter alors que sa masse est bien inférieure signifie qu’Uranus contient en son sein relativement moins d’hydrogène et d’hélium, même si l’atmosphère a, en première approximation, la même composition. Cela est probablement caractéristique des conditions qui régnaient au moment de la formation d’Uranus. Le manteau contient des éléments ionisés qui engendrent le champ magnétique d’Uranus. Contrairement à Jupiter, à Saturne et à Neptune, Uranus ne semble pas présenter de source importante d’énergie interne.
L’instrument infrarouge a aussi permis de mesurer les variations de température avec la profondeur et avec la latitude. Ces résultats étaient attendus avec intérêt, en raison de l’orientation très particulière de l’axe de rotation d’Uranus. Le pôle Nord et le pôle Sud pointent alternativement vers le Soleil au cours des 84 ans que dure une révolution autour du Soleil. Une journée ou, ce qui revient au même, une saison de 42 ans terrestres succède donc à une nuit - une saison - de 42 ans aux pôles d’Uranus, ce qui rend l’étude de sa climatologie et de la circulation dans son atmosphère particulièrement intéressante. On pouvait s’interroger sur le déroulement des saisons sur une planète dont chaque pôle est éclairé pendant 42 ans puis plongé dans l’obscurité pendant la même durée. On aurait pu s’attendre à des différences de température importantes entre le pôle éclairé depuis plus de 20 ans et le pôle obscur. Tout au contraire, la température de la haute atmosphère est presque la même aux pôles et à l’équateur, ce qui confirme la validité du modèle mis au point, un an avant la rencontre, par Bruno Bézard et Daniel Gautier, de l’Observatoire de Paris. Le pôle sombre est même légèrement plus chaud que le pôle éclairé, et la région la plus froide (d’environ 2 K) est située entre 20 degrés et 40 degrés de latitude, dans une zone que l’on qualifierait sur la Terre de tropicale : il règne là une température de l’ordre de 60 kelvins. L’amplitude des variations saisonnières aux pôles ne dépasse pas 5 kelvins. Les différences de température entre les deux hémisphères ne reflètent pas les différences d’éclairement, ce qui montre que des processus dynamiques complexes sont en jeu. On pourrait comparer Uranus à un immense réfrigérateur : de la chaleur est extraite du pôle éclairé et de l’énergie est apportée à l’équateur. La grande inertie thermique de l’atmosphère, due en grande partie à sa très basse température, limite les variations de température. Bien que moins spectaculaire d’aspect que les atmosphères de Jupiter ou de Saturne, celle d’Uranus est donc tout aussi complexe et passionnante.
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 « à la 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’étude des variations des émissions radioélectriques a permis de déterminer la période de rotation du champ magnétique, qui correspond à la période de rotation de la partie interne de la planète, là où le champ magnétique est engendré. Celle-ci est de 17 heures 14 minutes, ce qui est différent des périodes de rotation de la haute atmosphère.
L’orientation inattendue du champ magnétique d’Uranus a une conséquence importante. À partir de 1984, le satellite I.U.E. (International Ultraviolet Explorer), en orbite autour de la Terre, avait détecté en observant Uranus dans l’ultraviolet des émissions de l’hydrogène atomique (raie Lyman a) et de l’hydrogène moléculaire. Ces émissions avaient été attribuées à des aurores polaires, phénomènes déjà observés sur Terre, sur Jupiter et sur Saturne. Ces aurores sont provoquées par la précipitation dans l’atmosphère de particules électrisées le long des lignes du champ magnétique. Elles sont localisées au voisinage des pôles magnétiques et existent aussi bien de jour que de nuit. On s’attendait donc à observer de puissantes aurores confinées au voisinage des pôles. Or on s’est aperçu que la zone d’émission n’était pas confinée à une région, mais s’étendait sur tout le disque ; il s’agissait en fait d’une émission d’un type déjà détecté sur Jupiter et sur Saturne, liée à l’interaction des électrons de faible énergie avec l’ionosphère et ne nécessitant pas la présence de champ magnétique. Ce phénomène, baptisé électroluminescence, ne se manifeste que du côté jour et masque toute aurore éventuelle. La découverte de l’inclinaison du champ magnétique d’Uranus a montré qu’on cherchait les aurores au mauvais endroit. Une faible aurore a été observée du côté nuit. Des aurores peuvent aussi exister du côté jour, mais elles sont noyées dans les émissions du phénomène d’électroluminescence. La magnétosphère d’Uranus s’étend jusqu’à 18 rayons uraniens en direction du Soleil et possède évidemment une longue queue dans la direction opposée. La sonde Voyager-2 l’a parcourue en 46 heures et a découvert un environnement électromagnétique beaucoup plus étonnant que prévu. Elle a observé partout des électrons et des protons de haute énergie, mais peu d’ions lourds des éléments tels que l’hélium, le carbone ou l’oxygène. Étant donné que le vent solaire contient un grand nombre de tels ions, cela signifie que la magnétosphère d’Uranus est bien isolée du vent solaire. On trouve partout des protons d’une température cinétique de l’ordre de quelques centaines de milliers de degrés, mais les protons très énergétiques, d’une température cinétique de l’ordre de 10 millions de degrés, sont tous à l’extérieur de l’orbite de Miranda, qui agit comme un bouclier pour ces particules. Ces protons peuvent provenir des anneaux ou bien de la surface des satellites qui sont à l’intérieur de la magnétosphère, ou encore de la haute atmosphère d’Uranus.
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.
Par le rythme de ses saisons, la dynamique complexe de son atmosphère, les processus de chauffage et les réactions chimiques dont elle est le siège, Uranus est un corps beaucoup plus différent de Jupiter ou de Saturne qu’on ne le pensait auparavant.
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