Le printemps sur Pluton: un bilan sur 30 ans
Publié par Redbran le 16/05/2019 à 14:00
Source: Observatoire de Paris
A chaque fois qu'il passe devant une étoile, Pluton livre sur son atmosphère des informations, d'autant plus précieuses que ses occultations sont rares. Un bilan dressé par des chercheurs de l'Observatoire de Paris sur plusieurs décennies d'observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la...) paraît dans la revue Astronomy and Astrophysics du 10 mai 2019. Interprété à la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est...) des données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) recueillies en 2015 par la sonde (Une sonde spatiale est un vaisseau non habité envoyé par l'Homme pour explorer de plus près des objets du système solaire et, pour certaines, l'espace qui est au-delà....) New Horizons (New Horizons (« nouveaux horizons » en français) est une sonde spatiale de la NASA qui doit étudier Pluton et son satellite Charon en 2015. Elle doit ensuite survoler certains petits...), il permet d'affiner des paramètres physiques essentiels à une meilleure compréhension du climat (Le climat correspond à la distribution statistique des conditions atmosphériques dans une région donnée pendant une période de temps donnée. Il se distingue de la...) plutonien et de prédire les futures occultations stellaires de la planète naine (En astronomie, une planète naine est un type d'objet céleste du système solaire, intermédiaire entre une planète et un petit corps.).


Vue globale en vraie couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) de Pluton (Pluton, dont la désignation officielle est (134340) Pluton, est la deuxième plus grande planète naine connue du système solaire et le 10e plus grand astre connu orbitant le Soleil. Originellement...) photographié à 450 000 km de distance par la sonde New Horizons (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l'on peut observer, du fait de sa propre position ou situation. Ce concept simple se décline en physique, philosophie, littérature, et...) de la NASA (La National Aeronautics and Space Administration (« Administration nationale de l'aéronautique et de l'espace ») plus connue sous son abréviation NASA, est l'agence gouvernementale responsable du programme spatial des États-Unis...). © 2015 NASA-JHUAPL-SwRI

Comme celle de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des...), l'atmosphère de Pluton (L'atmosphère de Pluton fut découverte en 1985, et de nombreuses spécificités ont progressivement été identifiées, bien que la plupart des détails restent encore...) est essentiellement composée d'azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de numéro atomique 7. Dans le langage courant, l'azote désigne le gaz diatomique...). La comparaison s'arrête là.

Situé au-delà de Neptune, Pluton met 248 ans à faire une révolution complèteautour du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification...). Au cours d'une année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.) plutonienne, sa distance au Soleil connaît de grandes variations, passant de 30 à 50 ua (1). Les cycles saisonniers y sont d'autant plus extrêmes.

Avec des températures de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est...) extrêmement basses, inférieures à -230°C (40°K), s'opère un équilibre solide-gaz, où une fine atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) essentiellement composée d'azote coexiste avec des dépôts de glace (La glace est de l'eau à l'état solide.) en surface.

Aujourd'hui, la vapeur () d'azote est estimée stabilisée à une pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit...) de 1,3 pascal (contre environ 100 000 Pa sur notre planète).

Du fait de l'importance de son obliquité (l'angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) formé entre l'axe polaire et le plan orbital), à 120°, ses pôles sont successivement exposés à un jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit heure locale) et...) permanent pendant plusieurs décennies, puis à une nuit permanente. Cela conduit à un cycle complexe de redistribution de ses espèces volatiles que sont l'azote, le méthane (Le méthane est un hydrocarbure de formule brute CH4. C'est le plus simple composé de la famille des alcanes. C'est un gaz que l'on trouve à l'état naturel et qui est produit par des organismes vivants. Il est...) et le monoxyde de carbone (Le monoxyde de carbone est un des oxydes du carbone. Sa formule brute s'écrit CO et sa formule semi-développée C=O ou –C≡O+, la molécule est...). Ainsi Pluton a connu son équinoxe (Les équinoxes de mars et de septembre sont les deux moments de l'année où le jour et la nuit sont approximativement de même durée. Lors des équinoxes, le soleil se lève exactement à l'Est et se...) en 1988, avant de passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) au périhélie (Le périhélie est le point de l'orbite d'un corps céleste (planète, comète, etc.) qui est le plus rapproché du Soleil (grec : helios) autour duquel il tourne.) (à 30 ua) en 1989. Depuis lors, la planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de l'Univers et possédant une masse suffisante pour que sa gravité la maintienne en équilibre...) naine s'est continuellement éloignée du Soleil pour atteindre 32 ua en 2016, ceci se traduisant par une perte de 25% de son insolation moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble s'ils étaient tous identiques...).

On aurait pu alors naïvement s'attendre à une forte chute de la pression atmosphérique (La pression atmosphérique est la pression de l'air en un point quelconque d'une atmosphère.), l'équilibre gaz-glace de l'azote imposant que pour chaque degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines suivants :) Kelvin (Le kelvin (symbole K, du nom de Lord Kelvin) est l'unité SI de température thermodynamique. Par convention, les noms d'unité sont des noms communs et s'écrivent en minuscule (« kelvin » et non « Kelvin »).) perdu à la surface, la pression doit diminuer d'un facteur deux.

Or c'est l'exact opposé ( En mathématique, l'opposé d’un nombre est le nombre tel que, lorsqu’il est à ajouté à n donne zéro. En botanique, les organes d'une plante sont dits opposés lorsqu'ils sont insérés au...) qui se produit. La preuve en est apportée par l'article qui parait dans la revue A&A du 10 mai 2019, et qui dresse le bilan d'une douzaine d'occultations stellaires observée en près de 30 ans, printemps (Le printemps (du latin primus, premier, et tempus, temps, cette saison marquant autrefois le début de l'année) est l'une des quatre saisons...) dans l'hémisphère nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.) de Pluton: la pression atmosphérique augmente d'un facteur trois entre 1988 et 2016.


Pression atmosphérique à la surface de Pluton en fonction du temps, de 1988 à 2238. Les carrés noirs représentent les pressions mesurées à partir des observations d'une douzaine d'occultations stellaires, entre 1988 et 2016. Les courbes continues figurent les pressions calculées par les modèles théoriques. La courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du plan, de l'espace usuels. Par exemple, les droites, les segments, les lignes polygonales et les cercles sont des courbes.) en vert (Le vert est une couleur complémentaire correspondant à la lumière qui a une longueur d'onde comprise entre 490 et 570 nm. L'œil humain possède un récepteur, appelé cône M, dont la bande...) est celle du modèle théorique prévalent dont les paramètres ont été contraints par les observations sol (occultations) et espace (New Horizon).© Meza et al. Astron. Astrophys.

Ce scenario paradoxal, des modèles climatiques globaux (MCG) de Pluton l'avait déjà envisagé dès les années 1990, mais sans certitude, comme un parmi bien d'autres. Plusieurs paramètres importants du modèle restaient en effet à être contraint par des observations.

Ces observations d'occultations stellaires depuis la Terre, couplées aux données recueillies pendant le survol de Pluton de la mission NASA New Horizons en juillet 2015, permettent maintenant d'écrire un scénario beaucoup plus précis.


En 2015, la sonde New Horizons de la NASA révèle la surface de Pluton. A droite de l'image, vue de Sputnik Planitia prise à une distance de 18 000 km.© NASA/JHUAPL/SwRI

New Horizons a cartographié la distribution et la topographie des glaces à la surface de la planète naine, en révélant une vaste dépression de plus de 1 000 km de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est...) et de 4 km de profondeur, située à l'équateur entre les latitudes 25°S et 50°N, et appelée Sputnik Planitia. Cette dépression séquestre une partie de l'azote disponible dans l'atmosphère, formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de hauteur : plus la fréquence est élevée, plus la hauteur perçue est haute et inversement. Chaque voyelle se caractérise par son...) un gigantesque glacier (Un glacier est une masse de glace plus ou moins étendue qui se forme par le tassement de couches de neige accumulées. Écrasée sous son propre poids, la neige expulse l'air qu'elle...) qui est le véritable "coeur" du climat de la planète naine, puisqu'il régule (Les régules sont des alliages d'étain ou de plomb et d'antimoine.) la circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles sur une route.) atmosphérique via la sublimation de l'azote.

Les occultations quant à elles permettent de contraindre l'inertie (L'inertie d'un corps découle de la nécessité d'exercer une force sur celui-ci pour modifier sa vitesse (vectorielle). Ainsi, un corps immobile ou en mouvement rectiligne uniforme...) thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant différents phénomènes physiques, en...) du sous-sol du modèle expliquant ainsi le déphasage de trente ans entre le passage au périhélie (1989) et la croissance de la pression encore observée aujourd'hui (Fig. 1), le sous-sol ayant stocké la chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) et la restituant petit à petit. Les occultations contraignent aussi la fraction de l'énergie solaire (L'énergie solaire est l'énergie que dispense le soleil par son rayonnement, directement ou de manière diffuse à travers l'atmosphère. Sur Terre, l'énergie solaire est à...) renvoyée dans l'espace (albédo de Bond) de la glace d'azote et son émissivité.

Enfin, ces observations éliminent l'existence d'un réservoir d'azote dans l'hémisphère sud (L'hémisphère sud ou hémisphère austral est la moitié du globe terrestre qui s'étend entre l'équateur et le pôle Sud. En astronomie, ce terme désigne la partie du...) (actuellement dans une nuit permanente), qui causerait un maximum de pression beaucoup plus précoce que ce qui est observé (courbe magenta de la Fig. 1).

Cette étude est une belle illustration de la complémentarité des observations au sol et spatiales. Sans le survol d'une sonde spatiale (Une sonde spatiale est un vaisseau spatial non habité envoyé par l'homme pour étudier à plus ou moins grande distance les corps célestes se trouvant dans le système solaire (planète, lune,...), la distribution et la topographie des glaces resteraient inconnues, et sans le suivi sur le long terme de l'atmosphère, les modèles climatiques de Pluton ne pourraient pas être contraints.

Prédiction de futures occultations

Pour finir, les occultations fournissent, grâce au catalogue DR2 de la mission européenne Gaia, 19 positions de Pluton entre 1988 et 2016, avec une précision inégalée de quelques milliarcsec (mas) dans le ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.). Ceci permet de calculer pour la décennie (Une décennie est égale à dix ans. Le terme dérive des mots latins de decem « dix » et annus « année.) à venir une éphéméride (Une éphéméride (du grec ancien : hêmera, le jour) est un ouvrage qui recense année par année ou jour par jour, les principaux...) de Pluton avec cette précision.

Il sera ainsi possible d'observer d'autres occultations par Pluton et de surveiller le climat de ce monde (Le mot monde peut désigner :) lointain... Les modèles théoriques indiquent que l'atmosphère de Pluton serait actuellement proche son expansion maximum. De prochaines observations pourraient confirmer ou infirmer cette prédiction. Allons-nous voir bientôt le début de ce lent déclin, qui à terme devrait réduire d'un facteur vingt la pression l'atmosphérique de Pluton, et recouvrir sa surface d'une fine couche brillante de "gelée blanche" ?

Référence

Ce travail de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension...) a fait l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est...) de deux articles intitulés respectivement "Lower atmosphere and pressure evolution on Pluto from ground-based stellar occultations, 1988-2016", par E. Meza et al., et "Pluto's ephemeris from ground-based stellar occultations (1988-2016)" par J. Desmars et al., parus le 10 mai 2019 dans la revue Astronomy and Astrophysics.

Ces résultats ont été obtenus en partie grâce au financement par le Conseil européen de la recherche du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une grande...) 'Lucky Star', dirigé par Bruno Sicardy (ERC Advanced Grant n°669416).

Notes:
(1) une unité astronomique (L’unité astronomique (symbole ua) correspond approximativement à la longueur du demi-grand axe de l’orbite terrestre. Historiquement, les mesures astronomiques se...) est la distance moyenne Soleil-Terre
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