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Uranus, la géante glacée
Uranus n’est pas la plus grande, ni la plus propice à abriter la vie, ni la plus médiatique des planètes du Système solaire… Pourtant, la géante gazeuse glacée possède son lot de curiosités et beaucoup reste encore à découvrir sur sa nature. Zoom sur les spécificités d’Uranus et les missions d’exploration qui lui sont dédiées.
Les deux hémisphères d’Uranus vus en infrarouge par le Keck Observatory de Hawaï. Crédit : Lawrence Sromovsky/University of Wisconsin-Madison/W.W. Keck Observatory
Uranus est avec Neptune la seule représentante des planètes géantes glacées, aussi appelées sous-géantes, de notre Système solaire. Elle est située à environ trois milliards de kilomètres de notre étoile, en 7e position par rapport au Soleil, entre Saturne et Neptune. Uranus se compose d’une atmosphère, d’un manteau et d’un noyau.
L’atmosphère est principalement faite d’hydrogène (83 %) et d’hélium (15 %), ainsi que de méthane (2 %) et d’ammoniac (0,001 %). Elle entoure un manteau de composants volatiles : eau, ammoniac et méthane. En dépit de leur état entre liquide et solide, ces derniers sont appelés « glaces », d’où la dénomination de géante « glacée » d’Uranus. Enfin, la planète possède en son centre un noyau de la taille de la Terre, formé de roches silicatées, de fer et de nickel.
Schéma de la structure interne d’Uranus. Crédit : FrancescoA/CC0
Les géantes glacées ont une masse bien inférieure à celles de Jupiter ou Saturne, mais représentent tout de même l’équivalent de 10 à 50 masses terrestres. Uranus est par exemple 14,5 fois plus massive que la Terre. Par ailleurs, seulement 20 % de cette masse correspond à de l’hydrogène. Alors que dans le cas de Saturne ou Jupiter, l’hydrogène représente 90 % ! Une part importante de la masse d’Uranus est en fait stockée dans ses glaces.
Uranus est un « Neptune froid »
En dehors du Système solaire, les géantes de glaces sont classées en deux catégories en fonction de leur température. Et dans leur dénomination, Neptune a un peu volé la vedette à Uranus… Les sous-géantes qui orbitent près de leur étoile sont en effet nommées « Neptune chauds », et les plus éloignées « Neptune froids » – Neptune et Uranus font partie de cette deuxième famille. Toutefois, c’est bien Uranus qui détient la palme d’or au concours de l’atmosphère la plus froide du Système solaire : au minimum, elle peut atteindre −224°C.
Uranus vue par la sonde Voyager 2 en vraies couleurs (1986). Crédit : Nasa/JPL
Uranus : la première planète découverte au télescope
Les cinq planètes les plus proches de la Terre (Mercure, Vénus, Mars, Jupiter et Saturne) sont parmi les objets les plus brillants du ciel et sont donc connues des astronomes depuis l’Antiquité. Uranus est la première planète à être découverte à l’aide d’un télescope. C’est l’astronome britannique William Herschel qui a réalisé cet exploit en 1781, pensant d’abord à une comète. Les calculs de la communauté scientifique ont ensuite rapidement infirmé cette hypothèse.
William Herschel en compagnie de sa sœur Caroline, également astronome. Crédit : World History Archive/Alamy Banque D’Images
Uranus : 27 lunes et 13 anneaux
Moins médiatique que de ses consœurs du Système solaire, Uranus se démarque malgré tout par certaines de ses caractéristiques, comme son nombre important de satellites : 27 au moins.
Le système uranien vu en novembre 2002 à gauche (VLT) et en août 2007 à droite (NACO). Crédit : ESO
Ces lunes ont été découvertes grâce aux observations depuis la Terre, au survol de la sonde Voyager 2 et au télescope spatial Hubble. Les 2 plus gros satellites d’Uranus sont Titania et Obéron d’une taille supérieure à 1 500 km, devant Umbriel et Ariel (plus de 1000 km de diamètre).
Uranus entouré par huit de ses lunes les plus proches. Crédit : E. Karkoschka/University of Arizona Lunar and Planetary Lab Nasa
Uranus possède également 13 anneaux étroits, connus depuis 1977. Ce système d’anneaux est le second découvert dans le Système solaire après celui de Saturne.
Le survol d’Uranus par Voyager 2
Voyager 2, lancée par l’agence spatiale américaine (Nasa) avec sa jumelle Voyager 1 pour étudier les planètes Système solaire externe, est à ce jour la seule sonde à avoir survolé Uranus. C’était en 1986, pendant un peu plus de 5h30. Voyager 2 est passée à 80 000 km d’altitude au plus près de la planète et a mis en lumière un astre sans distinction particulière en lumière visible, mais aux nombreuses spécificités.
Uranus vue par Voyager 2 (1986). Crédit : Nasa
Voyager 2 a notamment permis de recueillir des indices afin d’expliquer pourquoi la planète Uranus est « couchée sur son orbite ». En effet, contrairement aux autres planètes dont l’axe de rotation est perpendiculaire à leur orbite autour du Soleil, celui d’Uranus est pratiquement inclus dans son plan de révolution autour de notre étoile : la planète « roule » donc sur son orbite et présente alternativement son pôle nord puis son pôle sud au Soleil. Une caractéristique unique dans le Système solaire !
D’après une étude publiée dans The Astrophysical Journal en juillet 2018, cette inclinaison s’expliquerait par un impact, il y a 4 milliards d’années, avec un objet céleste massif qui mesurerait deux fois la taille de la Terre : une protoplanète. Cette collision pourrait également expliquer la très faible température de l’atmosphère d’Uranus. Les débris de l’objet ayant impacté la planète auraient ensuite formé une « coquille » dans la basse atmosphère, empêchant la chaleur du centre de se déplacer vers la haute atmosphère.
Uranus « couchée sur son orbite », vue par Hubble. Crédit : Nasa/Erich Karkoschka/University of Arizona
En outre, d’autres théories font effet d’un basculement progressif de l’ensemble du système d’Uranus, dû à la présence d’un satellite environ cent fois moins massif que la planète et aujourd’hui disparu. À ce jour, la question de l’inclinaison de l’axe de rotation reste en suspens.
Voyager 2 a aussi découvert 10 lunes (toutes de diamètre inférieur à 150 km) en plus des 5 déjà connues à la fin des années 1970. Elle a également mis en évidence la présence d’un champ magnétique d’intensité similaire à celui de la Terre. Enfin, la sonde a montré que les neuf anneaux d’Uranus déjà découverts à l’époque ne se sont pas formés en même temps que la planète, mais a posteriori.
Les anneaux d’Uranus photographiés par Voyager 2. Crédit : Nasa
Prochaines missions d’exploration d’Uranus
Depuis Voyager 2, plusieurs missions en direction d’Uranus ont été pensées. Toutefois, pour raisons budgétaires, aucune ne s’est encore concrétisée. En 2002, une mission à bas coût similaire à New Horizons – sonde dédiée à l’étude de Pluton – est imaginée par la Nasa mais abandonnée par la suite. Il en sera de même pour le projet Uranus Pathfinder de l’agence spatiale européenne (Esa) : la sonde spatiale prenant modèle sur Mars Express et Rosetta devait être lancée en 2021 et atteindre Uranus en 2037.
En 2011, le rapport américain Planetary Science Decadal Survey censé définir les axes prioritaires de la Nasa dans la recherche planétaire pour la période 2013-2022 mentionne bien Uranus. Mais la mission Uranus orbiter and probe est considérée d’importance mineure comparée aux explorations de Mars et du Système jovien. Son prolongement Odinus (Origins, Dynamics, and Interiors of the Neptunian and Uranian Systems), proposé à l’agence spatiale européenne, reste aussi en suspens.
Vue d’artiste de la sonde Voyager 2 près d’Uranus en 1986. Crédit : Nasa/JPL
Côté européen, la mission Muse (Mission to Uranus for science and exploration) a été imaginée pour être lancée en 2026 avec une arrivée vers Uranus en 2044, afin d’étudier atmosphère, structure interne, lunes, anneaux et magnétosphère de la sous-géante. La totale ! Mais là encore, en 2021, la proposition n’a toujours pas été sélectionnée officiellement.
Car les difficultés techniques d’une mission vers Uranus sont énormes. Le voyage de 14 ans vers la géante glacée nécessite d’utiliser l’énergie nucléaire, car des panneaux solaires seraient inefficaces trop loin de notre étoile. Or, les batteries atomiques alimentées au plutonium-238 sont très chères. L’éloignement d’Uranus, comme dans le cas de la sonde New Horizons arrivée autour de Pluton fin 2014, fait que le générateur doit être de la plus faible masse possible pour minimiser les coûts. Mais le générateur sert également à réchauffer les instruments, envoyer des informations radio vers la Terre… Une technologie capable de fournir plus d’énergie apparaît donc nécessaire. Cependant, les traités internationaux empêchent l’enrichissement du plutonium depuis de nombreuses années. La première mission d’exploration détaillée d’Uranus ne semble donc pas pour demain.
En attendant, la géante glacée est toujours étudiée depuis les grands observatoires terrestres et spatiaux ; de leur côté les astronomes amateurs peuvent s’amuser à débusquer Uranus avec un télescope (voire de simples jumelles) et ainsi refaire la découverte de William Herschel !
