11.2 : Les planètes géantes

Objectifs d'apprentissage

À la fin de cette section, vous serez en mesure de :

• Décrire les caractéristiques physiques de base, l'apparence générale et la rotation des planètes géantes
• Décrire la composition et la structure de Jupiter, de Saturne, d'Uranus et de Neptune
• Comparez et contrastez les sources de chaleur internes des planètes géantes
• Décrire la découverte et les caractéristiques des champs magnétiques des planètes géantes

Examinons maintenant plus en détail les quatre planètes géantes (ou joviennes). Notre approche ne consiste pas seulement à cataloguer leurs caractéristiques, mais à les comparer entre elles, à noter leurs similitudes et leurs différences et à essayer de relier leurs propriétés à leurs différentes masses et distances par rapport au Soleil.

Caractéristiques de base

Les planètes géantes sont très éloignées du Soleil. Jupiter se trouve plus de cinq fois plus loin du Soleil que la distance de la Terre (5 UA) et met un peu moins de 12 ans pour faire le tour du Soleil. Saturne se trouve environ deux fois plus loin que Jupiter (presque 10 UA) et met près de 30 ans pour terminer une orbite. Uranus orbite à 19 UA sur une période de 84 ans, tandis que Neptune, à 30 UA, a besoin de 165 ans pour chaque circuit du Soleil. En raison de ces longues périodes, il est difficile pour nous, humains éphémères, d'étudier les changements saisonniers sur les planètes extérieures.

Jupiter et Saturne présentent de nombreuses similitudes en termes de composition et de structure interne, bien que Jupiter soit presque quatre fois plus massif. Uranus et Neptune sont plus petits et diffèrent par leur composition et leur structure interne de celles de leurs grands frères et sœurs. Certaines des principales propriétés de ces quatre planètes sont résumées dans le tableau\(\PageIndex{1}\).

Tableau\(\PageIndex{1}\) : Propriétés de base des planètes joviennes

Planète	Distance (Australie)	Période (années)	Diamètre (km)	Masse (Terre = 1)	Densité (g/cm ^3)	Rotation (heures)
Jupiter	5.2	11,9	142 800	318	1.3	9,9
Saturne	9.5	29,5	120 540	95	0,7	10,7
Uranus	19,2	84,1	51 200	14	1.3	17,2
Neptune	30,0	164,8	49 500	17	1,6	16.1

Jupiter, le géant parmi les géants, a une masse suffisante pour former 318 Terres. Son diamètre est environ 11 fois supérieur à celui de la Terre (et environ un dixième de celui du Soleil). La densité moyenne de Jupiter est de 1,3 g/cm ³, bien inférieure à celle de toutes les planètes terrestres. (Rappelons que l'eau a une densité de 1 g/cm ³.) La matière de Jupiter est répartie sur un volume si grand qu'environ 1 300 Terres pourraient y entrer.

La masse de Saturne est 95 fois supérieure à celle de la Terre et sa densité moyenne n'est que de 0,7 g/cm ³, soit la plus faible de toutes les planètes. Comme cette densité est inférieure à la densité de l'eau, Saturne serait suffisamment légère pour flotter.

Uranus et Neptune ont chacun une masse environ 15 fois supérieure à celle de la Terre et ne sont donc que 5 % plus massifs que Jupiter. Leurs densités de 1,3 g/cm ³ et 1,6 g/cm ³, respectivement, sont bien supérieures à celles de Saturne. C'est un élément de preuve qui nous indique que leur composition doit être fondamentalement différente de celle des géants gaziers. Lorsque les astronomes ont commencé à découvrir d'autres systèmes planétaires (exoplanètes), nous avons découvert que des planètes de la taille d'Uranus et de Neptune étaient communes et qu'il y avait encore plus d'exoplanètes de taille intermédiaire entre la Terre et ces géantes de glace, un type de planète introuvable dans notre système solaire.

Apparence et rotation

Lorsque nous regardons les planètes, nous ne voyons que leur atmosphère, composée principalement d'hydrogène et d'hélium gazeux (voir la photo du chapitre). Les nuages les plus élevés de Jupiter et de Saturne, la partie que l'on voit lorsque l'on regarde ces planètes d'en haut, sont composés de cristaux d'ammoniac. Sur Neptune, la partie supérieure des nuages est constituée de méthane. Sur Uranus, nous ne voyons aucune couche nuageuse évidente, mais seulement une brume profonde et sans relief.

Vue à travers un télescope, Jupiter est une planète colorée et dynamique. Des détails distincts de la configuration des nuages nous permettent de déterminer le taux de rotation de son atmosphère au niveau des nuages, bien que cette rotation de l'atmosphère n'ait peut-être pas grand-chose à voir avec la rotation de la planète sous-jacente. La rotation du manteau et du noyau est beaucoup plus fondamentale ; elle peut être déterminée par les variations périodiques des ondes radio provenant de Jupiter, qui sont contrôlées par son champ magnétique. Comme le champ magnétique (dont nous parlerons plus loin) provient des profondeurs de la planète, il partage la rotation de l'intérieur. La période de rotation que nous mesurons de cette manière est de 9 heures 56 minutes, ce qui donne à Jupiter le « jour » le plus court de toutes les planètes. De la même manière, nous pouvons mesurer que la période de rotation sous-jacente de Saturne est de 10 heures 40 minutes. Uranus et Neptune ont des périodes de rotation légèrement plus longues d'environ 17 heures, également déterminées par la rotation de leurs champs magnétiques.

Une brève vidéo réalisée à partir de photos du télescope spatial Hubble montre la rotation de Jupiter avec ses nombreuses caractéristiques atmosphériques.

N'oubliez pas que la Terre et Mars ont des saisons parce que leurs axes de rotation, au lieu de « se tenir debout », sont inclinés par rapport au plan orbital du système solaire. Cela signifie que lorsque la Terre tourne autour du Soleil, parfois un hémisphère et parfois l'autre « se penche » sur le Soleil.

Quelles sont les saisons pour les planètes géantes ? L'axe de rotation de Jupiter n'est incliné que de 3°, il n'y a donc pas de saisons à proprement parler. Saturne a cependant des saisons, puisque son axe de rotation est incliné à 27° par rapport à la perpendiculaire à son orbite. Neptune a à peu près la même inclinaison que Saturne (29°) ; elle connaît donc des saisons similaires (mais plus lentement). Les saisons les plus étranges se situent sur Uranus, dont l'axe de rotation est incliné de 98° par rapport à la direction nord. Concrètement, on peut dire qu'Uranus tourne sur son côté, et que son système d'anneaux et de lunes suit, orbitant autour de l'équateur d'Uranus (Figure\(\PageIndex{1}\)).

Figure : Image\(\PageIndex{1}\) infrarouge d'Uranus. La caméra infrarouge du télescope spatial Hubble a pris ces images en fausses couleurs de la planète Uranus, de son système d'anneaux et de ses lunes en 1997. Le pôle sud de la planète (marqué d'un « + » sur l'image de droite) fait face au Soleil ; sa couleur verte indique une forte brume locale. Les deux images ont été prises à 90 minutes d'intervalle, et pendant ce temps, on peut voir les cinq nuages rougeâtres tourner parallèlement à l'équateur. Les anneaux (qui sont très faibles dans la lumière visible, mais proéminents dans l'infrarouge) et huit lunes peuvent être vus autour de l'équateur. C'est l'arrangement « œil de bœuf » que Voyager a vu à l'approche d'Uranus en 1986.

Nous ne savons pas pourquoi Uranus a été renversé ainsi, mais l'une des possibilités est une collision avec un gros corps planétaire lorsque notre système s'est formé pour la première fois. Quelle qu'en soit la cause, cette inclinaison inhabituelle crée des saisons dramatiques. Lorsque Voyager 2 est arrivé à Uranus, son pôle sud faisait face directement au Soleil. L'hémisphère sud a connu un été ensoleillé pendant 21 ans, tandis que pendant la même période, l'hémisphère nord a été plongé dans l'obscurité. Au cours de la prochaine saison de 21 ans, le soleil brille sur l'équateur d'Uranus, et les deux hémisphères traversent des cycles de lumière et d'obscurité lorsque la planète tourne (Figure\(\PageIndex{6}\)). Ensuite, il y a 21 ans d'un hémisphère nord illuminé et d'un hémisphère sud sombre. Ensuite, le schéma d'alternance du jour et de la nuit se répète.

Tout comme sur Terre, les saisons sont encore plus extrêmes aux pôles. Si vous installiez une plate-forme flottante au pôle sud d'Uranus, par exemple, elle connaîtrait 42 ans de lumière et 42 ans d'obscurité. Tout futur astronaute assez fou pour y installer son camp pourrait passer la majeure partie de sa vie sans jamais voir le Soleil.

Figure des saisons\(\PageIndex{2}\) étranges sur Uranus. (a) Ce diagramme montre l'orbite d'Uranus vue du dessus. Au moment où Voyager 2 est arrivé (position 1), le pôle Sud faisait face au Soleil. Alors que nous nous déplaçons dans le sens antihoraire sur le diagramme, nous voyons la planète 21 ans plus tard à chaque étape. (b) Ce graphique compare la quantité de lumière solaire observée aux pôles et à l'équateur d'Uranus au cours de sa révolution de 84 ans autour du Soleil.

Composition et structure

Bien que nous ne puissions pas voir à l'intérieur de ces planètes, les astronomes sont convaincus que l'intérieur de Jupiter et de Saturne est principalement composé d'hydrogène et d'hélium. Bien entendu, ces gaz n'ont été mesurés que dans leur atmosphère, mais des calculs effectués pour la première fois il y a plus de 50 ans ont montré que ces deux gaz légers sont les seuls matériaux possibles à partir desquels une planète avec les masses et densités observées de Jupiter et de Saturne pourrait être construite.

Les structures internes profondes de ces deux planètes sont difficiles à prévoir. Cela est principalement dû au fait que ces planètes sont si grandes que l'hydrogène et l'hélium qui se trouvent en leur centre se compriment énormément et se comportent d'une manière que ces gaz ne peuvent jamais se comporter sur Terre. Les meilleurs modèles théoriques dont nous disposons de la structure de Jupiter prédisent une pression centrale supérieure à 100 millions de bars et une densité centrale d'environ 31 g/cm ³. (En revanche, le noyau de la Terre a une pression centrale de 4 millions de bars et une densité centrale de 17 g/cm ³.)

Sous la pression qui règne à l'intérieur des planètes géantes, les matériaux familiers peuvent prendre des formes étranges. À quelques milliers de kilomètres sous les nuages visibles de Jupiter et de Saturne, les pressions deviennent si fortes que l'hydrogène passe de l'état gazeux à l'état liquide. Plus profondément encore, cet hydrogène liquide se comprime davantage et commence à agir comme un métal, ce qu'il ne fait jamais sur Terre. (Dans un métal, les électrons ne sont pas solidement attachés à leur noyau d'origine mais peuvent se déplacer. C'est pourquoi les métaux sont de si bons conducteurs d'électricité.) Sur Jupiter, la majeure partie de l'intérieur est constituée d'hydrogène métallique liquide.

Comme Saturne est moins massive, elle ne contient qu'un faible volume d'hydrogène métallique, mais la majeure partie de son intérieur est liquide. Uranus et Neptune sont trop petits pour atteindre des pressions internes suffisantes pour liquéfier l'hydrogène. Nous reviendrons à la discussion sur les couches métalliques d'hydrogène lorsque nous examinerons les champs magnétiques des planètes géantes.

Chacune de ces planètes possède un noyau composé de matériaux plus lourds, comme le démontrent des analyses détaillées de leurs champs gravitationnels. Ces noyaux sont probablement les corps de roche et de glace d'origine qui se sont formés avant la capture du gaz de la nébuleuse environnante. Les noyaux existent à des pressions de plusieurs dizaines de millions de bars. Alors que les scientifiques parlent de noyaux de planètes géantes composés de roche et de glace, nous pouvons être certains que ni la roche ni la glace ne prennent de formes familières à de telles pressions et températures. N'oubliez pas que ce que l'on entend réellement par « roche » désigne tout matériau composé principalement de fer, de silicium et d'oxygène, tandis que le terme « glace » dans ce chapitre désigne des matériaux composés principalement des éléments carbone, azote et oxygène combinés à de l'hydrogène.

La figure\(\PageIndex{3}\) illustre les structures intérieures probables des quatre planètes joviennes. Il semble que les quatre possèdent des noyaux de roche et de glace similaires. Sur Jupiter et Saturne, les noyaux ne constituent que quelques pour cent de la masse totale, conformément à la composition initiale des matières premières indiquée dans le tableau\(11.1.1\). Cependant, la majeure partie de la masse d'Uranus et de Neptune réside dans ces noyaux, ce qui montre que les deux planètes extérieures n'étaient pas en mesure d'attirer des quantités massives d'hydrogène et d'hélium lors de leur formation initiale.

Figure Structures\(\PageIndex{3}\) internes des planètes joviennes. Jupiter et Saturne sont composés principalement d'hydrogène et d'hélium (mais l'hydrogène domine), mais Uranus et Neptune se composent en grande partie de composés de carbone, d'azote et d'oxygène. (Les diagrammes sont dessinés à l'échelle ; les nombres indiquent des rayons en milliers de kilomètres.)

Sources de chaleur internes

En raison de leur grande taille, toutes les planètes géantes ont été fortement chauffées au cours de leur formation par l'effondrement de la matière environnante sur leur cœur. Jupiter, étant la plus grande, était la plus chaude. Une partie de cette chaleur primordiale peut encore subsister à l'intérieur de ces grandes planètes. De plus, il est possible pour des planètes géantes, essentiellement gazeuses, de générer de la chaleur après leur formation en se contractant lentement. (Avec une masse aussi importante, même une infime quantité de rétrécissement peut générer une chaleur importante.) Ces sources d'énergie internes ont pour effet d'élever les températures à l'intérieur et à l'atmosphère des planètes plus haut que ce à quoi on pourrait s'attendre du seul effet de chauffage du Soleil.

Jupiter possède la plus grande source d'énergie interne, soit 4 × 10 ¹⁷ watts ; c'est-à-dire qu'elle est chauffée de l'intérieur avec une énergie équivalente à 4 millions de milliards de milliards d'ampoules de 100 watts. Cette énergie est à peu près la même que l'énergie solaire totale absorbée par Jupiter. L'atmosphère de Jupiter est donc en quelque sorte un croisement entre une atmosphère planétaire normale (comme celle de la Terre), qui tire la plus grande partie de son énergie du Soleil, et l'atmosphère d'une étoile, entièrement chauffée par une source d'énergie interne. La majeure partie de l'énergie interne de Jupiter est la chaleur primordiale, issue de la formation de la planète il y a 4,5 milliards d'années.

Saturne possède une source d'énergie interne environ deux fois moins grande que celle de Jupiter, ce qui signifie (puisque sa masse n'est qu'environ un quart moins importante) qu'elle produit deux fois plus d'énergie par kilogramme de matière que Jupiter. Comme Saturne devrait avoir beaucoup moins de chaleur primordiale, il doit y avoir une autre source à l'œuvre générant la majeure partie de cette puissance de 2 × 10 ¹⁷ watts. Cette source est la séparation de l'hélium de l'hydrogène à l'intérieur de Saturne. Dans le manteau d'hydrogène liquide, l'hélium le plus lourd forme des gouttelettes qui s'enfoncent vers le noyau, libérant ainsi de l'énergie gravitationnelle. En effet, Saturne continue de se différencier, laissant les matériaux les plus légers monter et les matériaux les plus lourds tomber.

Uranus et Neptune sont différents. Neptune possède une petite source d'énergie interne, tandis qu'Uranus n'émet pas une quantité mesurable de chaleur interne. En conséquence, ces deux planètes ont presque la même température atmosphérique, malgré la plus grande distance entre Neptune et le Soleil. Personne ne sait pourquoi ces deux planètes diffèrent dans leur chaleur interne, mais tout cela montre comment la nature peut s'efforcer de rendre chaque monde un peu différent de ses voisins.

Champs magnétiques

Chacune des planètes géantes possède un champ magnétique puissant, généré par des courants électriques dans son intérieur qui tourne rapidement. Les magnétosphères des planètes sont associées aux champs magnétiques, c'est-à-dire des régions autour de la planète dans lesquelles le champ magnétique de la planète domine le champ magnétique interplanétaire général. Les magnétosphères de ces planètes sont leurs plus grandes caractéristiques, s'étendant sur des millions de kilomètres dans l'espace.

À la fin des années 1950, des astronomes ont découvert que Jupiter était une source d'ondes radio qui devenaient plus intenses à des longueurs d'onde plus longues qu'à des longueurs d'onde plus courtes, exactement l'inverse de ce que l'on attend du rayonnement thermique (rayonnement provoqué par les vibrations normales des particules présentes dans toute la matière). Ce comportement est cependant typique du rayonnement émis lorsque des électrons à haute vitesse sont accélérés par un champ magnétique. Nous appelons cela le rayonnement synchrotron parce qu'il a été observé pour la première fois sur Terre dans des accélérateurs de particules, appelés synchrotrons. C'est notre premier indice que Jupiter doit avoir un champ magnétique puissant.

Des observations ultérieures ont montré que les ondes radio proviennent d'une région entourant Jupiter avec un diamètre plusieurs fois supérieur à celui de la planète elle-même (Figure\(\PageIndex{4}\)). Les preuves suggèrent qu'un grand nombre de particules atomiques chargées doivent circuler autour de Jupiter, en spirale autour des lignes de force d'un champ magnétique associé à la planète. C'est exactement ce que nous observons se produire, mais à plus petite échelle, dans la ceinture de Van Allen autour de la Terre. Les champs magnétiques de Saturne, d'Uranus et de Neptune, découverts par le vaisseau spatial qui est passé pour la première fois à proximité de ces planètes, fonctionnent de la même manière, mais ne sont pas aussi puissants.

Figure\(\PageIndex{4}\) Jupiter dans les ondes radio. Cette image en fausses couleurs de Jupiter a été réalisée avec le Very Large Array (de radiotélescopes) au Nouveau-Mexique. Nous voyons une partie de la magnétosphère, la plus brillante au milieu car le plus grand nombre de particules chargées se trouvent dans la zone équatoriale de Jupiter. La planète elle-même est légèrement plus petite que l'ovale vert au centre. Différentes couleurs sont utilisées pour indiquer les différentes intensités du rayonnement synchrotron.

Apprenez-en plus sur la magnétosphère de Jupiter et les raisons pour lesquelles nous continuons de nous intéresser à elle grâce à cette brève vidéo de la NASA.

À l'intérieur de chaque magnétosphère, des particules chargées circulent en spirale dans le champ magnétique ; elles peuvent ainsi être accélérées à des énergies élevées. Ces particules chargées peuvent provenir du Soleil ou du voisinage de la planète elle-même. Dans le cas de Jupiter, Io, l'une de ses lunes, provoque des éruptions volcaniques qui projettent des particules chargées dans l'espace et directement dans la magnétosphère jovienne.

L'axe du champ magnétique de Jupiter (la ligne qui relie le pôle nord magnétique au pôle sud magnétique) n'est pas exactement aligné avec l'axe de rotation de la planète ; il est plutôt incliné d'environ 10°. Uranus et Neptune présentent des inclinaisons magnétiques encore plus importantes, de 60° et 55°, respectivement. Le champ de Saturne, en revanche, est parfaitement aligné avec son axe de rotation. On ne comprend pas bien pourquoi différentes planètes ont des inclinaisons magnétiques si différentes.

Les processus physiques autour des planètes joviennes s'avèrent être des versions plus modérées de ce que les astronomes trouvent dans de nombreux objets lointains, des vestiges d'étoiles mortes aux étranges centrales lointaines que nous appelons les quasars. L'une des raisons d'étudier les magnétosphères des planètes géantes et de la Terre est qu'elles fournissent des analogues accessibles à proximité de processus cosmiques plus énergétiques et plus complexes.

Concepts clés et résumé

Jupiter est 318 fois plus massif que la Terre. Saturne est environ 25 % plus massive que Jupiter, et Uranus et Neptune ne sont que 5 % plus massives. Tous les quatre ont une atmosphère profonde et des nuages opaques, et tous pivotent rapidement sur des périodes allant de 10 à 17 heures. Jupiter et Saturne possèdent de vastes manteaux d'hydrogène liquide. Uranus et Neptune sont appauvris en hydrogène et en hélium par rapport à Jupiter et à Saturne (et au Soleil). Chaque planète géante possède un noyau de « glace » et de « roche » d'environ 10 masses terrestres. Jupiter, Saturne et Neptune possèdent d'importantes sources de chaleur internes, qui tirent autant (ou plus) d'énergie de leur intérieur que le rayonnement solaire. Uranus ne possède aucune chaleur interne mesurable. Jupiter possède le champ magnétique le plus puissant et la plus grande magnétosphère de toutes les planètes, découverts pour la première fois par des radioastronomes à partir d'observations du rayonnement synchrotron.

Lexique

rayonnement synchrotron

le rayonnement émis par les particules chargées étant accéléré dans des champs magnétiques et se déplaçant à des vitesses proches de celle de la lumière