Pluton

Son symbole astronomique:

Pluton, dont la désignation officielle est (134340) Pluton, est le premier objet transneptunien découvert (1930), la deuxième plus grande planète naine connue du système solaire et le 10e plus grand astre connu orbitant le Soleil.


Originellement considérée comme la plus petite planète du système solaire, elle fut classée comme planète naine par l'Union Astronomique Internationale en août 2006. Elle orbite autour du Soleil à une distance variant entre 29 et 49 unités astronomiques et appartient à la ceinture de Kuiper.


Depuis sa découverte par Clyde Tombaugh en 1930, Pluton était considérée comme la neuvième planète du système solaire. À la fin du XXe siècle et au début du XXIe siècle, de plus en plus d'objets similaires furent découvert dans le système solaire externe, en particulier Éris, légèrement plus grand et plus massif que Pluton. Cette évolution amena l'union astronomique internationale (UAI) à redéfinir la notion de planète en août 2006, Cérès, Pluton et Éris étant depuis cette date classées comme des planètes naines. L'UAI a également décidé de faire de Pluton le prototype d'une nouvelle catégorie d'objet transneptunien. Suite à cette modification de la nomenclature, Pluton a été ajoutée à la liste des objets mineurs du système solaire et s'est vue attribuer le numéro 134340 dans le catalogue des objets mineurs.


Pluton est principalement composée de roche et de glace de méthane, mais aussi de glace d'eau. Son diamètre est d'environ les deux tiers de celui de la Lune. Le couple Pluton et son grand satellite, Charon, est généralement considéré comme un système double, puisque la différence de masse entre les deux objets est l'une des plus faibles de tous les couples planétoïdes/satellites du système solaire (rapport 2 pour 1), et surtout parce que le barycentre de leurs orbites ne se situe pas à l'intérieur d'un des deux corps. Deux autres satellites naturels nettement plus petits, Nix et Hydra, ont également été découverts en 2005.


Aucune sonde spatiale n'a encore jamais survolé Pluton, mais la sonde New Horizons lancée en janvier 2006 par la NASA pour explorer le système plutonien, doit le survoler durant l'été 2015, après un voyage de 6,4 milliards de kilomètres.

Exploration de Pluton

Pluton est un objectif difficile pour l'exploration spatiale, à cause de la grande distance la séparant de la Terre et de sa très faible masse, et n'a donc jusqu'à présent été visité par aucune sonde spatiale, ce qui explique en partie le peu de données disponibles.

La sonde Voyager 1 aurait éventuellement pu l'atteindre, mais l'exploration de Titan (le satellite de Saturne) et des anneaux de Saturne fut jugée plus importante, résultant dans une trajectoire incompatible pour un rendez-vous avec Pluton. Voyager 2 aurait théoriquement pu y parvenir également, mais la trajectoire aurait traversé la planète Neptune…


En 2000, la NASA annula, pour des raisons budgétaires, la mission Pluto Kuiper Express, qui aurait eu pour but le survol vers 2012 du couple Pluton/Charon, et d'au moins un objet de la ceinture de Kuiper. Elle a finalement été remplacée par une mission similaire, New Horizons. La sonde New Horizons, lancée le 19 janvier 2006, sera donc la première sonde spatiale à visiter Pluton, bénéficiant de l'assistance gravitationnelle de Jupiter pour arriver au plus près de la planète naine à l'été 2015, après un voyage de 6,4 milliards de kilomètres. Les observations débuteront environ cinq mois avant le plus proche passage et devraient continuer environ un mois après. L'engin spatial emporte à son bord des instruments d'imagerie, spectrométrie et autres appareils de mesure, afin de déterminer les caractéristiques géologiques et morphologiques de Pluton et de sa lune Charon, mais aussi cartographier les éléments composant leur surface et étudier l'atmosphère de Pluton (composition et taux d'évasion). La mission prévoit également un survol des objets de la ceinture de Kuiper vers 2022.

Orbite

Caractéristiques

En comparaison des planètes classiques du système solaire, l'orbite de Pluton est fortement inclinée par rapport au plan de l'écliptique (17,14175°) et excentrique (0,24880766). Les orbites des planètes classiques sont quasi-circulaires et co-planaires de l'écliptique (seule Mercure possède une orbite inclinée (7°) et excentrique (0,2) de manière significative). En conséquence, le périhélie de Pluton est situé à plus de 8,0 ua du plan de l'écliptique, soit 1,2 milliards de km et c'est près de cette position de son orbite, que la planète naine se trouve plus proche du Soleil que Neptune.

Une autre caractéristique du système plutonien est que le barycentre du couple Pluton/Charon n'est pas situé à l'intérieur du premier mais dans le vide, entre les deux corps.


L'orbite de Pluton étant très excentrique, elle croise celle de nombreux autres objets ; parmi les astéroïdes numérotés, ces hadéocroiseurs comptaient (en juillet 2004) 10 frôleurs intérieurs (dont (5145) Pholus), 24 frôleurs extérieurs (dont (19521) Chaos), 17 croiseurs (dont (38628) Huya) et 37 co-orbitaux (dont (20000) Varuna, (28978) Ixion et (50000) Quaoar).

Distance au Soleil

Du fait de l'excentricité prononcée de son orbite, la distance entre Pluton et le Soleil varie entre 29 ua au périhélie et 49 ua à l'aphélie.


Au voisinage de son périhélie, Pluton est plus proche du Soleil que Neptune. Toutefois, le périhélie de Pluton, vue l'inclinaison de son orbite, ne se trouve pas à l'intérieur de l'orbite de Neptune, mais largement au-dessus de l'écliptique. Ce fut le cas entre le 7 février 1979 et le 11 février 1999. Des calculs mathématiques montrent que le phénomène s'est produit pendant seulement 14 ans entre le 11 juillet 1735 et le 15 septembre 1749 et pendant 20 ans entre le 30 avril 1483 et le 23 juillet 1503. Des études récentes suggèrent que chaque passage de Pluton à l'intérieur de l'orbite de Neptune dure alternativement et approximativement 13 et 20 ans, avec des variations minimes.

Résonance orbitale

Bien que Pluton soit parfois plus proche du Soleil que Neptune, les orbites des deux objets ne se croisent jamais. Les nœuds de l'orbite de Pluton (les points où l'orbite traverse le plan de l'écliptique) sont situés à l'extérieur de l'orbite de Neptune ; de fait, les points les plus proches des deux orbites sont distants de 6,4 ua soit près d'1 milliard de km.


Pluton orbite le Soleil en résonance orbitale 3:2 par rapport à Neptune, c'est-à-dire que Pluton effectue deux révolutions autour du Soleil pendant que Neptune en réalise trois. Cette résonance est stable : une perturbation de l'orbite de Pluton serait corrigée par l'attraction de Neptune. À cause de ce phénomène, Pluton et Neptune ne sont jamais plus proches que 18,9 ua : Pluton est toujours aussi éloigné de Neptune que, par exemple, de Saturne, et parfois à plus d'1 milliard de km plus près d'Uranus ! Quand Neptune dépasse le point où les deux orbites sont les plus proches, la résonance maintient une séparation angulaire supérieure à 50° et Pluton reste près de 30 ua derrière Neptune, soit près de 4,5 milliards de km. Le vrai point de rapprochement se situe de l'autre côté de l'orbite. Neptune « dépasse » toujours Pluton quelque 30 ans après l'aphélie de ce dernier.

D'autres objets transneptuniens possèdent une telle résonance orbitale 3:2 avec Neptune et sont appelés des plutinos, par référence à Pluton.

Caractéristiques physiques

Rotation

Pluton tourne sur elle-même en 6,387 jours, son axe de rotation étant incliné de 57,5° par rapport à son plan orbital, ce qui est plutôt élevé et inhabituel dans le système solaire (seule Uranus a une inclinaison comparable).


L'action des forces de marée a contraint la période de rotation de Pluton jusqu'à la synchroniser avec la période de révolution de son principal satellite, Charon : les deux périodes étant égales, Charon se trouve donc toujours à la verticale du même point de la surface de Pluton, et Charon paraît donc immobile dans le ciel plutonien.

Masse et dimensions


Le diamètre de Pluton est l'un des paramètres physiques les moins bien connus et les plus difficiles à mesurer, et la source principale d'incertitude sur les autres paramètres dérivés, tels que la masse volumique. Sa très grande distance combinée à sa petite taille font qu'il est impossible de résoudre avec précision le disque de Pluton, et empêche donc les mesures « directes » de ses dimensions, que ce soit avec le télescope spatial Hubble ou avec les instruments terrestres dotés d'optiques adaptatives. Les mesures actuelles se fondant sur les occultations d'étoile par Pluton et les occultations de Pluton par Charon ne concordent pas exactement, et les explications permettant d'expliquer ces différences dépendent des modèles utilisés pour analyser les données, notamment concernant l'atmosphère de la planète naine. La valeur et la marge d'erreur généralement retenue de 2 306±20 kilomètres de diamètre incluent en fait les différences de résultat des différentes méthodes de mesure.


La masse de Pluton, tout comme son diamètre, ont été largement surestimés durant les décennies suivant sa découverte. Les premières estimations, qui tablaient sur une taille comprise entre celles de Mercure et de Mars, ont continuellement été revues à la baisse avec l'amélioration des instruments d'observations. La découverte de Charon en 1978 a permis, par application de la troisième loi de Kepler, de déterminer beaucoup plus précisément la masse totale du couple planétaire. La masse de Pluton est désormais estimée à 1,314×1022 kg, soit 5,6 fois moins que celle de la Lune.


Compte tenu de sa masse et de son diamètre, Pluton (en bas a droite) est plus petite et moins massive que la Lune et six des satellites naturels de Jupiter, Saturne et Neptune : Ganymède, Titan, Callisto, Io, Europe et Triton.

Composition interne


La composition interne de Pluton est pour l'instant inconnue. S'il y a eu différentiation, il pourrait y avoir un noyau rocheux. Sur sa surface, de la glace de méthane (CH4) a été détectée aux pôles par une observation dans l'infrarouge, en calottes dont la taille varie selon l'éloignement de la planète par rapport au Soleil. Sous la croûte se trouve vraisemblablement un manteau glacé, comme sur toutes les planètes rocheuses.

Atmosphère


Pluton ne possède pas d'atmosphère significative. Elle est entourée d'une mince enveloppe de gaz qui serait composée d'azote (N2) à 90 % et de monoxyde de carbone (CO) à 10 %, ainsi que de méthane (CH4) et qui serait en équilibre thermodynamique avec l'azote solide et les glaces de monoxyde de carbone de la surface quand l'objet approche du Soleil. Lorsque Pluton s'écarte de son périhélie, une partie de son atmosphère gèle et retombe à la surface. Quand elle s'en rapproche, la température de la surface augmente et l'azote se sublime. À la manière de la sueur qui s'évapore sur la peau, cette sublimation refroidit la surface et des recherches ont montré que la température de Pluton est 10 K inférieure à ce qui était attendu.


L'atmosphère de Pluton a été découverte lors d'une occultation stellaire en 1985 et confirmée par une autre occultation en 1988. Lorsqu'un objet dépourvu d'atmosphère passe devant une étoile, cette étoile d'arrière-plan disparaît de manière brutale ; dans le cas de Pluton, la luminosité de l'étoile masquée a graduellement diminuée. De l'évolution de cette courbe de luminosité, une mince atmosphère de 0,15 Pa a été déterminée, soit environ 1/700 000e de celle de la Terre. Cette atmosphère pourrait n'exister que lorsque la planète est à son périhélie et geler lorsqu'elle s'éloigne du Soleil.


En 2002, une autre occultation stellaire par Pluton a été observée par plusieurs équipes dirigées par Bruno Sicardy, Jim Elliot et Jay Pasachoff. De manière surprenante, la pression atmosphérique a été estimée à 0,30 Pa, bien que Pluton soit plus éloignée du Soleil qu'en 1988 et donc plus froide. L'hypothèse privilégiée à l'heure actuelle est que le pôle sud de Pluton serait sorti de l'ombre en 1987 pour la première fois depuis 120 ans et qu'un surplus d'azote aurait alors sublimé de la calotte polaire sud. Cet excès d'azote devrait mettre vraisemblablement des décennies avant de se condenser à l'autre pôle.

Système planétaire

Description

Pluton possède trois satellites naturels, le plus grand étant Charon qui fut identifié dès 1978. Deux satellites plus petits nommés Hydra et Nix (connus jusqu'en juin 2006 par leurs désignations provisoires S/2005 P 1 et S/2005 P 2), ont été découverts en 2005.


La distribution des satellites de Pluton est concentrée au centre du système. Potentiellement, un satellite pourrait orbiter Pluton jusqu'à 53 % du rayon de sa sphère de Hill (soit environ 6,0 millions de km) dans le sens direct et 69 % dans le sens rétrograde, mais le système plutonien est resserré dans les 3 % interne de cette zone. À titre de comparaison, Psamathée orbite Neptune à 40 % du rayon de sa sphère de Hill. Selon les termes des découvreurs de Nix et Hydra, le système plutonien est « hautement compact et largement vide ».

Charon

Charon fut découvert en 1978. Comparativement à Pluton, Charon est un très gros satellite (son diamètre est la moitié de celui de Pluton), et le barycentre des deux corps se trouve au-delà de la surface de Pluton (à un peu plus de deux rayons plutoniens). Il s'agit du plus grand système de ce genre dans le système solaire (certains astéroïdes binaires possèdent également ce trait, comme (617) Patrocle ; le barycentre du Soleil et de Jupiter est également situé à l'extérieur du premier) et il y est parfois fait référence comme un système binaire d'astéroïdes.


Pluton et Charon sont également tous les deux en rotation synchrone : Charon présente toujours la même face à Pluton et Pluton la même face à Charon, un fait inhabituel dans le système solaire pour deux objets de cette taille (là encore, certains astéroïdes binaires possèdent cette propriété).


La découverte de Charon a permis de préciser la masse totale du système double et de déterminer que celle-ci était inférieure aux estimations précédentes. En fait, elle a amené les astronomes à revoir totalement leur estimation de la taille de Pluton. À l'origine, on pensait que Pluton était plus grande que Mercure (on lui donnait environ 6 800 km de diamètre) et plus petite que Mars, mais les calculs étaient fondés sur le fait qu'un seul objet était observé (on ne distinguait pas Charon de Pluton). Une fois le système double découvert, l'estimation de la taille de Pluton a été revue à la baisse. Il est possible aujourd'hui, avec des instruments modernes, de distinguer le disque de Pluton et ainsi déterminer sa taille directement.


En conséquence, l'albédo de Pluton a dû aussi être recalculé et revu à la hausse : la planète étant bien plus petite que les premières estimations, sa capacité à réfléchir la lumière devait être plus importante que ce que l'on pensait. Les estimations actuelles lui donnent une valeur légèrement inférieure à celle de Vénus, qui est déjà assez élevée. Charon, à la différence de Pluton, n'a pas retenu de méthane et apparaît beaucoup plus sombre.


Certains chercheurs ont suggéré que Pluton et Charon sont des satellites de Neptune qui auraient été éjectés de son orbite ; l'orbite rétrograde de Triton laisse penser que celui-ci était à l'origine un objet de la ceinture de Kuiper sur une orbite solaire qui fut capturé par Neptune. Triton semble en outre partager certaines caractéristiques atmosphériques et géologiques avec Pluton. Même si ces deux points ont été évoqués pour soutenir une origine neptunienne de Pluton, le consensus actuel est que cette dernière n'a jamais fait partie des satellites de Neptune.

Hydra et Nix

Pluton possède deux autres satellites, qui furent photographiés le 15 mai 2005 lors d'une campagne d'observation du télescope spatial Hubble, temporairement nommés S/2005 P 1 et S/2005 P 2 puis baptisés Hydra et Nix. Ils ont été repérés par une équipe du Southwest Research Institute sur des clichés pris pour préparer la nouvelle mission d'exploration lointaine du système solaire, New Horizons. Leur existence fut confirmée par l'examen de photographies prises par le télescope spatial Hubble et datant du 14 juin 2002.


D'après les premières observations, le demi-grand axe de l'orbite de Nix mesure 49 000 km et celui de l'orbite d'Hydra 65 000 km. Les deux satellites semblent orbiter dans le sens prograde dans le même plan que Charon et sont deux et trois fois plus éloignés que celui-ci, avec une résonance orbitale proche de (mais pas égale à) 4:1 et 6:1.


Les observations se poursuivent pour déterminer les caractéristiques des deux astres. Hydra est parfois plus brillant que Nix, soit parce qu'il est plus grand, soit parce que la luminosité de sa surface varie suivant les zones. Le spectre des satellites est similaire à celui de Charon, ce qui suggère un albédo similaire d'environ 0,35 ; dans ce cas, le diamètre de Nix est estimé à 46 km et celui d'Hydra à 61 km. Une limite supérieure peut être déterminée en supposant un albédo de 0,04 similaire aux objets les plus sombres de la ceinture de Kuiper : 137 ± 11 km pour Nix et 167 ± 10 km pour Hydra. Dans ce cas, la masse des satellites serait 0,3 % de celle de Charon (0,03 % de la masse de Pluton).

Autres satellites possibles

Les observations effectuées par le télescope spatial Hubble ont placé des limites quant à l'existence de satellites additionnels dans le système plutonien. Avec une probabilité de 90 %, aucune lune de plus de 12 km et d'un albédo similaire à celui de Charon (soit 0,38 ) n'existe dans une zone de 5" autour de Pluton. Pour un albédo plus sombre de 0,041, cette limite est portée à 37 km. Avec une probabilité de 50 %, cette limite descend à 8 km.

Anneaux éventuels

Dans un article publié dans la revue Nature, une équipe de scientifiques américains conduite par S. Stern (du Southwest Research Institute) a annoncé que Nix et Hydra se sont très probablement formées lors du même impact géant qui a donné naissance à Charon.

L'équipe a émis l'hypothèse que d'autres grands objets binaires de la ceinture de Kuiper pourraient également abriter de petites lunes et que celles qui gravitent autour de Pluton pourraient générer des anneaux de débris autour de la planète naine.

À l'heure actuelle, les données provenant de la caméra de prospection avancée du télescope spatial Hubble suggèrent qu'aucun anneau n'existe. Dans le cas contraire, il s'agit d'un anneau ténu comme ceux de Jupiter ou de moins de 1 000 km de large.