12.4 : Pluton et Charon

Objectifs d'apprentissage

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

• Comparez les caractéristiques orbitales de Pluton avec celles des planètes
• Décrire les informations sur la surface de Pluton déduites des images de New Horizons
• Notez quelques caractéristiques distinctives de la grande lune de Pluton, Charon

Pluton n'est pas une lune, mais nous en parlons ici car sa taille et sa composition sont similaires à celles de nombreuses lunes du système solaire externe. Notre compréhension de Pluton (et de sa grande lune Charon) a radicalement changé à la suite du survol de New Horizons en 2015.

Pluton est-elle une planète ?

Pluton a été découvert grâce à une recherche minutieuse et systématique, contrairement à Neptune, dont la position a été calculée à partir de la théorie gravitationnelle. Néanmoins, l'histoire de la recherche de Pluton a commencé avec des indications selon lesquelles Uranus avait de légers écarts par rapport à son orbite prévue, des écarts qui pourraient être dus à la gravitation d'une « planète X » inconnue. Au début du XXe siècle, plusieurs astronomes, notamment Percival Lowell, alors au sommet de sa renommée en tant que défenseur de la vie intelligente sur Mars, se sont intéressés à la recherche de cette neuvième planète.

Lowell et ses contemporains ont basé leurs calculs principalement sur de minuscules irrégularités inexpliquées dans le mouvement d'Uranus. Les calculs de Lowell indiquaient deux emplacements possibles pour une planète X perturbatrice ; la plus probable des deux se trouvait dans la constellation des Gémeaux. Il a prédit une masse de la planète intermédiaire entre les masses de la Terre et de Neptune (ses calculs donnaient environ 6 masses terrestres). D'autres astronomes ont toutefois obtenu d'autres solutions à partir des minuscules irrégularités orbitales, y compris un modèle qui indiquait deux planètes au-delà de Neptune.

À son observatoire de l'Arizona, Lowell a cherché sans succès la planète inconnue de 1906 jusqu'à sa mort en 1916, et les recherches n'ont été renouvelées qu'en 1929. En février 1930, un jeune assistant d'observation nommé Clyde Tombaugh (voir l'encadré ci-dessous), comparant des photographies qu'il avait prises les 23 et 29 janvier de la même année, a découvert un objet faible dont le mouvement semblait correspondre à peu près à celui d'une planète bien au-delà de l'orbite de Neptune (Figure\(\PageIndex{1}\)). La nouvelle planète a été nommée en l'honneur de Pluton, le dieu romain des enfers, qui vivait dans des ténèbres lointaines, tout comme la nouvelle planète. Le choix de ce nom, parmi les centaines suggérés, a été facilité par le fait que les deux premières lettres étaient les initiales de Percival Lowell.

Figure\(\PageIndex{1}\) : Le mouvement de Pluton. Extraits des deux photographies par lesquelles Clyde Tombaugh a découvert Pluton en 1930. La photo de gauche a été prise le 23 janvier et celle de droite le 29 janvier. Notez que Pluton, indiqué par une flèche, s'est déplacé parmi les étoiles au cours de ces six nuits. Mais si nous n'avions pas mis de flèche à côté, vous n'auriez probablement jamais repéré le point qui s'est déplacé.

Bien que la découverte de Pluton ait d'abord semblé confirmer une théorie gravitationnelle similaire au triomphe antérieur d'Adams et Le Verrier en prédisant la position de Neptune, nous savons maintenant que les calculs de Lowell étaient erronés. Lorsque sa masse et sa taille ont finalement été mesurées, il a été découvert que Pluton n'aurait pas pu exercer d'attraction mesurable sur Uranus ou Neptune. Les astronomes sont maintenant convaincus que les petites anomalies signalées dans les mouvements d'Uranus ne sont pas et n'ont jamais été réelles.

Dès sa découverte, il était clair que Pluton n'était pas un géant comme les quatre autres planètes extérieures du système solaire. Pendant longtemps, on a pensé que la masse de Pluton était similaire à celle de la Terre, de sorte qu'elle a été classée cinquième planète terrestre, d'une manière ou d'une autre égarée aux confins du système solaire. Il y avait cependant d'autres anomalies, car l'orbite de Pluton était plus excentrique et inclinée par rapport au plan de notre système solaire que celle de n'importe quelle autre planète. Ce n'est qu'après la découverte de sa lune Charon en 1978 que la masse de Pluton a pu être mesurée, et elle s'est avérée bien inférieure à la masse de la Terre.

En plus de Charon, Pluton possède quatre petites lunes. Des observations ultérieures de Charon ont montré que cette lune se trouve sur une orbite rétrograde et a un diamètre d'environ 1 200 kilomètres, soit plus de la moitié de la taille de Pluton elle-même (Figure\(\PageIndex{2}\)). Cela fait de Charon la lune dont la taille est la plus grande fraction de sa planète mère. On pourrait même considérer Pluton et Charon comme un monde double. Vu de Pluton, Charon aurait la taille de huit pleines lunes sur Terre.

Figure\(\PageIndex{2}\) : Comparaison de la taille de Pluton et de sa lune Charon avec la Terre. Ce graphique montre clairement à quel point Pluton est minuscule par rapport à une planète terrestre comme la Terre. C'est la principale justification pour placer Pluton dans la classe des planètes naines plutôt que des planètes terrestres.

Pour de nombreux astronomes, Pluton semblait être un cousin étrange dont tout le monde espère qu'il ne se présentera pas lors de la prochaine réunion de famille. Ni sa trajectoire autour du Soleil ni sa taille ne ressemblent à celles des planètes géantes ou des planètes terrestres. Dans les années 1990, des astronomes ont commencé à découvrir d'autres petits objets dans l'extrême périphérie du système solaire, montrant ainsi que Pluton n'était pas unique. Nous aborderons ces objets transneptuniens plus tard avec d'autres petits corps, dans le chapitre sur les comètes et les astéroïdes - Débris du système solaire. L'un d'eux (appelé Eris) est presque de la même taille que Pluton, et un autre (Makemake) est nettement plus petit. Les astronomes ont compris que Pluton était si différente des autres planètes qu'elle avait besoin d'une nouvelle classification. Elle a donc été appelée planète naine, ce qui signifie une planète beaucoup plus petite que les planètes terrestres. Nous connaissons aujourd'hui la présence de nombreux petits objets à proximité de Pluton et nous en avons classé plusieurs dans la catégorie des planètes naines.

Une histoire similaire a été associée à la découverte des astéroïdes. Lorsque le premier astéroïde (Cérès) a été découvert au début du XIXe siècle, il a été salué comme une nouvelle planète. Au cours des années suivantes, cependant, d'autres objets ayant des orbites similaires à celles de Cérès ont été découverts. Les astronomes ont décidé qu'elles ne devaient pas toutes être considérées comme des planètes. Ils ont donc inventé une nouvelle classe d'objets, appelés planètes mineures ou astéroïdes. Aujourd'hui, Cérès est aussi appelée planète naine. Les planètes mineures et les planètes naines font partie d'une ceinture complète ou de zones d'objets similaires (comme nous le verrons dans Comètes et astéroïdes - Débris du système solaire).

Alors, est-ce que Pluton est une planète ? Notre réponse est oui, mais il s'agit d'une planète naine, clairement pas dans la même catégorie que les huit grandes planètes (quatre géantes et quatre terrestres). Bien que certaines personnes aient été bouleversées par la reclassification de Pluton, nous pouvons souligner qu'un arbre nain est toujours un type d'arbre et (comme nous le verrons) une galaxie naine est toujours un type de galaxie.

CLYDE TOMBAUGH : DE LA FERME À LA GLOIRE

Clyde Tombaugh a découvert Pluton à l'âge de 24 ans, et son poste d'assistant du personnel à l'observatoire Lowell a été son premier emploi rémunéré. Tombaugh était né dans une ferme de l'Illinois, mais quand il avait 16 ans, sa famille a déménagé au Kansas. Sur place, encouragé par son oncle, il a observé le ciel à l'aide d'un télescope que la famille avait commandé dans le catalogue Sears. Tombaugh a ensuite construit lui-même un télescope plus grand et a consacré ses nuits (lorsqu'il n'était pas trop fatigué des travaux agricoles) à faire des croquis détaillés des planètes (Figure\(\PageIndex{3}\)).

Figure\(\PageIndex{3}\) : Clyde Tombaugh (1906-1997). (a) Tombaugh est photographié dans la ferme familiale en 1928 avec un télescope de 9 pouces qu'il a construit. (b) Ici, Tombaugh regarde à travers un oculaire l'observatoire Lowell.

En 1928, après qu'une tempête de grêle ait ruiné la récolte, Tombaugh a décidé qu'il avait besoin d'un emploi pour subvenir aux besoins de sa famille. Bien qu'il n'ait fait que des études secondaires, il a pensé à devenir constructeur de télescopes. Il a envoyé ses croquis de planètes à l'observatoire Lowell, pour savoir si un tel choix de carrière était réaliste. Par un hasard, sa question est arrivée juste au moment où les astronomes de Lowell se sont rendu compte qu'une recherche renouvelée d'une neuvième planète nécessiterait un observateur très patient et dévoué.

Les grandes plaques photographiques (morceaux de verre recouverts d'une émulsion photographique) que Tombaugh a été chargé de prendre de nuit et de rechercher pendant la journée contenaient en moyenne environ 160 000 images d'étoiles chacune. Comment trouver Pluton parmi eux ? La technique consistait à prendre deux photos à environ une semaine d'intervalle. Au cours de cette semaine, une planète bougeait un tout petit peu, tandis que les étoiles restaient au même endroit les unes par rapport aux autres. Un nouvel instrument appelé « comparateur de clignotements » pourrait rapidement alterner les deux images d'un oculaire. Les étoiles, étant dans la même position sur les deux plaques, ne semblaient pas changer lorsque les deux images « clignotaient ». Mais un objet en mouvement semblait se tortiller d'avant en arrière lorsque les plaques étaient alternées.

Après avoir examiné plus de 2 millions d'étoiles (et de nombreuses fausses alarmes), Tombaugh a découvert sa planète le 18 février 1930. Les astronomes de l'observatoire ont soigneusement vérifié ses résultats et la découverte a été annoncée le 13 mars, jour du 149e anniversaire de la découverte d'Uranus. Les félicitations et les demandes d'interviews ont afflué du monde entier. Les visiteurs sont descendus par dizaines sur l'observatoire, désireux de voir l'endroit où la première nouvelle planète avait été découverte depuis près d'un siècle, ainsi que la personne qui l'avait découverte.

En 1932, Tombaugh a pris congé de Lowell, où il avait continué à chercher et à cligner des yeux, pour obtenir un diplôme universitaire. Finalement, il a obtenu une maîtrise en astronomie et a enseigné la navigation pour la Marine pendant la Seconde Guerre mondiale. En 1955, après avoir travaillé au développement d'un télescope de suivi de fusées, il est devenu professeur à la New Mexico State University, où il a contribué à la création du département d'astronomie. Il est mort en 1997 ; certaines de ses cendres ont été placées à l'intérieur de la sonde New Horizons à destination de Pluton.

Voici une vidéo touchante sur la vie de Tombaugh telle que décrite par ses enfants.

La nature de Pluton

À l'aide des données de la sonde New Horizons, les astronomes ont mesuré le diamètre de Pluton à 2 370 kilomètres, soit seulement 60 % de la taille de notre Lune. À partir du diamètre et de la masse, nous trouvons une densité de 1,9 g/cm ³, ce qui suggère que Pluton est un mélange de matériaux rocheux et de glace d'eau dans les mêmes proportions que de nombreuses lunes de la planète extérieure.

Certaines parties de la surface de Pluton sont hautement réfléchissantes, et son spectre indique la présence à sa surface de méthane, de monoxyde de carbone et d'azote gelés. La température de surface maximale varie d'environ 50 K lorsque Pluton est le plus éloigné du Soleil à 60 K lorsqu'elle est la plus proche. Même cette petite différence est suffisante pour provoquer une sublimation partielle (passage du solide au gaz) de la glace de méthane et d'azote. Cela génère une atmosphère lorsque Pluton est proche du Soleil, et elle gèle lorsque Pluton est plus éloigné. Les observations d'étoiles lointaines observées à travers cette mince atmosphère indiquent que la pression de surface est environ dix millièmes de celle de la Terre. Pluton étant plus chaude de quelques degrés que Triton, sa pression atmosphérique est environ dix fois plus élevée. Cette atmosphère contient plusieurs couches de brume distinctes, probablement causées par des réactions photochimiques, comme celles de l'atmosphère de Titan (Figure\(\PageIndex{4}\)).

Figure\(\PageIndex{4}\) : Couches de brume dans l'atmosphère de Pluton. Il s'agit de l'une des photos les plus hautes résolutions de Pluton, prise par la sonde New Horizons 15 minutes après son approche la plus rapprochée. Il montre 12 couches de brume. Notez également la chaîne de montagnes avec des hauteurs allant jusqu'à 3500 mètres.

Atteindre Pluton avec un vaisseau spatial était un défi majeur, en particulier à une époque où les budgets réduits de la NASA ne pouvaient pas financer des missions de grande envergure et coûteuses comme Galilée et Cassini. Pourtant, comme Galilée et Cassini, une mission Pluton nécessiterait un système nucléaire électrique utilisant la chaleur du plutonium pour générer l'énergie nécessaire pour alimenter les instruments et les maintenir en fonctionnement loin de la chaleur du Soleil. La NASA a mis à disposition l'un de ses derniers générateurs nucléaires pour une telle mission. En supposant qu'un vaisseau spatial abordable mais hautement performant puisse être construit, il restait encore le problème de se rendre à Pluton, à près de 5 milliards de kilomètres de la Terre, sans attendre des décennies. La réponse a été d'utiliser la gravité de Jupiter pour lancer le vaisseau spatial vers Pluton.

Le lancement de New Horizons en 2006 a lancé la mission à grande vitesse, et le survol de Jupiter un an plus tard lui a donné le coup de pouce supplémentaire nécessaire. La sonde New Horizons est arrivée à Pluton en juillet 2015, se déplaçant à une vitesse relative de 14 kilomètres par seconde (soit environ 50 000 kilomètres par heure). Avec cette vitesse élevée, toute la séquence de survol a été compressée en une seule journée. La plupart des données enregistrées le plus près possible n'ont pu être transmises à la Terre que de nombreux mois plus tard, mais lorsqu'elles sont finalement arrivées, les astronomes ont été récompensés par une mine d'images et de données.

Premières vues rapprochées de Pluton

Pluton n'est pas le monde géologiquement mort que beaucoup attendaient pour un si petit objet, loin de là. La division de la surface en zones de composition et de texture de surface différentes est apparente sur la photo couleur globale illustrée à la figure\(\PageIndex{5}\). La couleur rougeâtre est améliorée sur cette image pour faire ressortir plus clairement les différences de couleur. Les parties les plus sombres de la surface semblent être cratérisées, mais à côté d'elles se trouve une zone claire presque sans relief dans le quadrant inférieur droit de cette image. Les zones sombres présentent des couleurs de brume photochimique ou de smog similaires à celles de l'atmosphère de Titan. La matière sombre qui tache ces vieilles surfaces pourrait provenir de la brume atmosphérique de Pluton ou de réactions chimiques qui se produisent à la surface sous l'action de la lumière du soleil.

Les zones claires sur la photo sont des bassins de basse altitude. Il s'agit apparemment de mers d'azote gelé, d'une profondeur de plusieurs kilomètres. L'azote et le méthane peuvent s'échapper de Pluton lorsqu'il se trouve dans la partie de son orbite proche du Soleil, mais seulement très lentement. Il n'y a donc aucune raison qu'un vaste bol d'azote gelé ne puisse pas persister longtemps.

Figure\(\PageIndex{5}\) : Image couleur globale de Pluton. Cette image de New Horizons montre clairement la variété des terrains de Pluton. La zone sombre en bas à gauche est recouverte de cratères d'impact, tandis que la grande zone claire au centre et en bas à droite est un bassin plat dépourvu de cratères. Les couleurs que vous voyez sont légèrement améliorées pour faire ressortir de subtiles différences.

La figure\(\PageIndex{6}\) montre certaines des caractéristiques de surface remarquables révélées par New Horizons. À droite de cette image, nous voyons le « rivage » du vaste bol de glace azotée que nous avons vu comme la région lisse de la figure\(\PageIndex{5}\). Surnommée temporairement les « plaines de Spoutnik », d'après le premier objet humain à pénétrer dans l'espace, cette région ronde mesure environ un millier de kilomètres de large et présente des cellules ou des polygones intrigants d'une largeur moyenne de plus de 30 kilomètres. Les montagnes situées au centre sont de grands blocs de glace d'eau gelée, dont certains atteignent une hauteur de 2 à 3 kilomètres.

Figure\(\PageIndex{6}\) : Diversité du terrain sur Pluton. Cette vue en couleur améliorée d'une bande de la surface de Pluton d'environ 80 kilomètres de long montre une variété de caractéristiques de surface différentes. De gauche à droite, nous traversons d'abord une région de « badlands » où apparaissent quelques cratères, puis nous traversons une vaste chaîne de montagnes constituées de glace d'eau et recouvertes de la matière plus rouge que nous avons vue sur l'image précédente. Puis, à droite, nous arrivons au « rivage » de la grande mer d'azote gelé que les scientifiques de la mission ont surnommée les « plaines de Spoutnik ». Cette mer d'azote est divisée en cellules ou segments mystérieux de plusieurs kilomètres de diamètre.

La figure\(\PageIndex{7}\) montre une autre vue de la frontière entre différents types de géologie. La largeur de cette image est de 250 kilomètres et elle montre un terrain sombre, ancien et fortement cratérisé ; un terrain sombre et non accidenté avec une surface vallonnée ; un terrain lisse et géologiquement jeune ; et un petit groupe de montagnes de plus de 3 000 mètres de haut. Sur les meilleures images, les zones claires de glace azotée semblent avoir coulé un peu comme les glaciers de la Terre, recouvrant certains des terrains plus anciens situés en dessous.

Les montagnes isolées au milieu des plaines d'azote lisses sont probablement également constituées de glace d'eau, qui est très dure aux températures de Pluton et peut flotter sur de l'azote gelé. D'autres montagnes et quelques terrains vallonnés qui ont rappelé aux scientifiques de la mission la peau de serpent sont visibles sur la figure\(\PageIndex{7b}\). Il s'agit d'interprétations préliminaires à partir des premières données provenant de New Horizons en 2015 et début 2016. Au fil du temps, les scientifiques auront une meilleure compréhension de la géologie unique de Pluton.

Figure\(\PageIndex{7}\) : Diversité des terrains sur Pluton. (a) Sur cette photo, d'environ 250 kilomètres de large, nous pouvons voir de nombreux types de terrain. En bas se trouvent des hauts plateaux plus anciens et cratérisés ; une région de collines en forme de V sans cratères pointe vers le bas de l'image. Autour de la région sombre en forme de V se trouve la plaine d'azote gelée, lisse et plus lumineuse, qui agit comme les glaciers de la Terre. Certaines montagnes isolées, constituées de glace d'eau gelée, flottent dans l'azote en haut de l'image. (b) Cette scène mesure environ 390 kilomètres de large. Les montagnes arrondies, très différentes de celles que nous connaissons sur Terre, s'appellent Tartarus Dorsa. Les motifs, composés de crêtes répétitives séparées par un relief plus rougeâtre, ne sont pas encore compris.

Un aperçu rapide de Charon

Pour ajouter aux mystères de Pluton, nous montrons dans la figure l'\(\PageIndex{8}\)une des meilleures images de New Horizons de la grande lune de Pluton, Charon. Rappelons que Charon mesure environ la moitié de la taille de Pluton (son diamètre est à peu près égal à celui du Texas). Charon garde le même côté vers Pluton, tout comme notre Lune garde le même côté vers la Terre. Ce qui est unique dans le système Pluto-Charon, c'est que Pluton garde également le même visage envers Charon. Comme deux danseurs qui s'embrassent, ces deux danseurs se font constamment face alors qu'ils se baladent sur la piste de danse céleste. Les astronomes appellent cela une double écluse marémotrice.

Figure\(\PageIndex{8}\) : Charon, la grande lune de Pluton. (a) Dans cette image de New Horizons, la couleur a été améliorée pour faire ressortir la couleur de l'étrange calotte polaire rouge de la lune. Charon a un diamètre de 1214 kilomètres et la résolution de cette image est de 3 kilomètres. (b) Ici, nous voyons la lune sous un angle légèrement différent, en couleurs réelles. L'encart montre une zone d'environ 390 kilomètres de haut en bas. En haut à gauche se trouve un élément intrigant, qui semble être une montagne au milieu d'une dépression ou d'un fossé.

Ce que New Horizons a montré était un autre monde complexe. Il y a des cratères épars dans la partie inférieure de l'image, mais la majeure partie du reste de la surface semble lisse. Au centre de l'image se trouve une ceinture de terrain accidenté, y compris des vallées qui semblent être des vallées tectoniques, comme si certaines forces avaient tenté de séparer Charon. Cette étrange image est couronnée d'une calotte polaire d'un rouge distinct, dont la composition est inconnue. De nombreuses caractéristiques de Charon ne sont pas encore connues, y compris ce qui semble être une montagne au milieu d'une région à faible altitude.

Résumé

Pluton et Charon ont été révélés par la sonde New Horizons comme étant deux des objets les plus fascinants du système solaire externe. Pluton est petite (planète naine) mais étonnamment active, avec des zones contrastées de terrain sombre en cratères, des bassins de glace azotée de couleur claire et des montagnes d'eau gelée qui peuvent flotter dans la glace azotée. Même Charon, la plus grande lune de Pluton, montre des signes d'activité géologique. Pluton et Charon se révèlent beaucoup plus dynamiques et intéressants que ce que l'on aurait pu imaginer avant la mission New Horizons.