Catch a star - Pluton

I- Introduction II- Dans la mythologie romaine III- Dans l'astronomie IV- Existe t-il d'autres planètes au-delà de Pluton ? V- Origine de Pluton VI- Trois grandes questions ? VII- Exercice VIII- Dernière minute ! IX- Références

I- Introduction
Le nom " Pluton " a sa place à la fois dans la mythologie romaine mais aussi dans l'astronomie.

II- Dans la mythologie romaine
Pluton était le dieu romain des morts qui dirigeait le monde souterrain (Hadès chez les grecs, dieu des Enfers).
C'était le fils de Saturne, frère de Jupiter et de Neptune. Il avait épousé Proserpine, fille de Cérès.

III- Dans l'astronomie
Pluton est la planète la plus éloignée du Soleil (habituellement), mais aussi la plus petite des planètes du système solaire. En effet, elle est plus petite que 7 satellites du système solaire : la Lune, Io, Europe, Ganymède, Callisto, Titan et Triton.
Pourquoi avoir choisi ce nom : " Pluton " ?
Certains disent que c'est à cause de son éloignement avec le Soleil ce qui le plonge dans l'obscurité perpétuelle (référence aux enfers). Mais d'autres pensent que les initiales de Percival Lowell (astronome américain) ont donné les deux premières lettres de Pluton.
Depuis le milieu du XIXème siècle, les astronomes qui observaient Uranus et Neptune, avaient constaté des perturbations dans leurs mouvements ne pouvant s'expliquer que par l'influence d'un corps plus lointain. Percival Lowell fut le premier à rechercher la planète " X ", en vain. Pourtant en 1915 et en 1919 des clichés de cette nouvelle planète avaient été réalisés mais, trop peu brillante, elle n'avait pas été identifiée. En 1929, à l'observatoire Lowell de Flagstaff en Arizona, la recherche lancée par le fondateur recommença. Un nouvel événement dans le monde de l'astronomie se produisit : la découverte de la " planète " Pluton le 21 janvier 1930 par l'américain Clyde Tombaugh (décédé en octobre 1997) qui utilisait les méthodes de la recherche des astéroïdes par comparaison des clichés d'une même région du ciel obtenus avec un télescope de 33 cm et une chambre photographique à grand champ.
De 1970 à nos jours une nouvelle révolution technique : l'apparition des capteurs CCD qui supplantent la photographie désormais dépassée. Ces capteurs associés à l'informatique et à l'automatisation font merveille. Un nouveau réservoir d'objets se situe au-delà de l'orbite de Neptune, c'est la ceinture de Kuiper (prévue par Kuiper en 1950) comprenant des comètes mais aussi des astéroïdes. D'autres voyagent sur des orbites instables entre Jupiter et Neptune pour la plupart issus de la ceinture de Kuiper on les appelle les " Centaures " comme par exemple Chiron découvert en 1977.

Pluton reste mystérieuse
Nous ne savons rien de son origine, de sa composition interne, aucune sonde automatique ne l'a survolée, peut-être la sonde Pluto-Kuiper-Express pourrait partir en 2004 et atteindre son objectif en 2014 ? Ou la sonde New Horizon qui devrait être lancée en 2006 ? Même le télescope spatial ne peut distinguer que les plus gros détails de sa surface.
Depuis sa découverte, Pluton a toujours été considérée comme une planète à part. Ca n'est pas une planète tellurique, c'est à dire rocheuse, car Pluton contient beaucoup de glace. Elle est aussi beaucoup plus petite que ces planètes (en 1965 une étoile est passé à 0,125'' du centre de Pluton sans être cachée par la planète on en déduisit donc que son diamètre est inférieur à 6700 km. En 1976 on découvre de la glace de méthane à sa surface, Pluton devrait briller beaucoup plus qu'elle n'apparaît, c'est donc qu'elle est beaucoup plus petite, on estime alors son diamètre 2200 km au maximum). Elle n'appartient pas non plus aux planètes géantes gazeuses. Les caractéristiques de son orbite (excentricité et inclinaison par rapport à l'écliptique) ne suivent pas les règles générales du système solaire. On connaît aujourd'hui un grand nombre d'objets de la ceinture de Kuiper ayant des caractéristiques proches de celles de Pluton. Pluton est-il un objet de Kuiper ? Il est plus gros que tous les objets de Kuiper connus, il possède un satellite Charon (découvert en 1978 par J. Christy à l'observatoire de Flagstaff en Arizona) lui aussi plus gros que ces corps et il possède une atmosphère ténue. Charon fut découvert juste avant que le plan de son orbite s'aligne avec celui du système solaire. On put donc observer plusieurs passages de Pluton devant Charon et vice-versa. En calculant bien quelle portion de l'objet serait couvert à un moment donné et en observant la courbe de luminosité, les astronomes furent capables de créer grossièrement une carte des surfaces pâles et des surfaces sombres des deux objets.

La lune de Pluton reçut le nom du fils mythologique d'Erebus et de Nox : Charon, chargé par les dieux de transporter les âmes des morts à travers le Styx, le plus grand fleuve des Enfers dont les eaux rendaient invulnérables.

Pluton reste pour l'instant une énigme, est-il unique ou y a t-il d'autres objets semblables dans la partie externe de la ceinture de Kuiper non encore explorée de nos jours ? Les télescopes au sol, notamment le fameux VLT installé au Chili par l'ESO, devraient apporter une importante contribution.
Historiquement, Pluton a été classée en tant que planète et va probablement le rester.

Caractéristiques de Pluton
Pluton évolue donc sur une orbite très excentrique entre 4,4 et 7,5 milliards de km du Soleil (jusqu'en 2000, Pluton était plus proche de la Terre que Neptune) et très inclinée (17°) par rapport aux orbites des autres planètes (7° pour Mercure et moins de 2,5° pour les autres planètes) ce qui la distingue nettement des autres planètes du système solaire. La rotation de Pluton est de 6,39 jours en sens inverse de la plupart des autres planètes. De plus, comme pour Uranus le plan équatorial de Pluton est pratiquement à angle droit avec le plan de son orbite.
Pluton est en résonance 3/2 avec Neptune. En effet, la période orbitale de Pluton est exactement 1,5 fois plus longue que celle de Neptune. Ainsi, bien qu'il semble que l'orbite de Pluton croise celle de Neptune, les deux planètes n'entreront jamais en collision.
Sa température de surface est de - 220 °C, la journée dure près d'une semaine terrestre.
Son diamètre est de 2374 km (valeur du JPL avec une erreur de +/- 8 km).

Charon a un diamètre estimé entre 800 et 1200 km. Les mesures du JPL indiquent 1172 km +/- 13 km. Charon serait donc de même taille que les satellites de Saturne : Rhéa, Téthys, Japet ou Dioné. La densité de Charon mesurée par le HST en 1993 est de 1,4. On estime sa masse à environ 2.1021 kg.
Bien que le total des masses de Pluton et Charon soit parfaitement connu (il peut être calculé grâce à des mesures précises de la période et du rayon de l'orbite de Charon et de la troisième loi de Kepler), les masses individuelles de Pluton et de Charon sont difficiles à préciser car il faudrait effectuer des mesures beaucoup plus précises de leurs mouvements respectifs par rapport au centre de masse.
En 1991, le HST a mesuré une distance de seulement 19 000 km entre Pluton et Charon (leurs surfaces sont donc séparées de 17 000 km !). Ils sont tous deux si petits et si peu éloignés l'un de l'autre que même le HST a de la difficulté à les discerner. Le rapport (Charon /Pluton) de leurs masses est sûrement compris entre 0,084 et 0, 157 soit environ 0,1 ce qui fait que Charon a une masse environ 10 fois pus faible que celle de Pluton. Pluton aurait donc une masse d'environ 2.1022 kg. D'autres observations sont en cours mais on ne connaîtra pas exactement la masse de Pluton et de Charon tant qu'une sonde ne sera pas envoyée.
Comparativement à Pluton, Charon est énorme. On parle alors de " planète double " au lieu de planète et de son satellite.
La rotation de Charon est de 6,39 jours et de plus Charon tourne en 6,39 jours autour de Pluton, les deux astres se font donc toujours face.
On ne sait presque rien sur l'atmosphère de Pluton si ce n'est qu'il existe une infime atmosphère (pression de quelques microbars) d'azote de dioxyde de carbone et de méthane entourant actuellement les deux objets. Cette atmosphère n'existe que lorsque Pluton est au plus près du Soleil. Pendant la majeure partie de la longue révolution de Pluton autour du Soleil (248 ans), les gaz atmosphériques sont transformés en glace. Pour analyser cette atmosphère il est donc important que la sonde Pluto-Express arrive quand celle-ci n'est pas gelée.
Quant à sa composition interne, elle est inconnue, mais sa densité 2,1prouve que la planète est sans doute composée de 70% de roches et de 30% de glace. C'est donc un astre " léger " entouré d'un épais manteau de glace de méthane, semblable à Triton. Les zones brillantes observables à la surface paraissent constituées d'azote glacé avec de faibles quantités de méthane solide et de monoxyde de carbone. La composition des zones plus sombres de Pluton est encore inconnue mais elles peuvent être dues à du matériau organique ou à des réactions photochimiques activées par les rayons cosmiques.

Observation de Pluton
En 2002, Pluton séjourne dans les parages de l'étoile Ophiuchi. En octobre, vue depuis la France la constellation d'Ophiuchus disparaît sous l'horizon ouest au cours du mois et Pluton n'est donc plus observable. Il faudra attendre mai 2003 pour la voir se lever vers l'est. On peut trouver sa position grâce à des cartes du ciel et aux coordonnées de la planète fournies par des tables (éphémérides).

Même observée dans un télescope géant, Pluton ne ressemble qu'à une faible étoile, elle ne s'en distingue que par son lent mouvement relatif par rapport aux étoiles du champ. De magnitude environ 14, Pluton reste inaccessible aux petits instruments d'amateurs. Imaginez une pièce d'1 euro vue à 40 km de distance !

IV- Existe t-il d'autres planètes au-delà de Pluton ?
Etant donné les révisions à la baisse de la taille Pluton-Charon, il devient de moins en moins probable que cette planète double ait une masse suffisante pour perturber autant l'orbite de Neptune. La planète X tant recherchée n'est pas Pluton…
En 1992, après cinq années de recherche infructueuses, Jane Luu et David Jewitt découvrent le premier objet situé au-delà de Pluton baptisé 1992 QB1. C'est une sorte d'astéroïde couvert de glace, d'une centaine de km de diamètre et dont la distance moyenne au Soleil dépasse les 7 milliards de km. C'est le 1er exemplaire d'une nouvelle catégorie d'objets appelée " transneptuniens ".

En 1996 on découvrit les plus gros transneptuniens connus :
- 1996 TL 66 d'un diamètre de 500 km
- 1996 TO 66 d'un diamètre de plus de 600 km
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En 2000 on connaissait une centaine de transneptuniens tous situés dans la ceinture de Kuiper entre 4,5 et 7,5 milliards de km du Soleil.

En 2001 Varuna 900 km et Ixion 760 km

En 2002 : l'objet numéroté 2002 AW 197

Y a t-il des objets de diamètre de 1000 km et plus ?
C'est probable mais il faut pouvoir les détecter, c'est une question de technologie mais aussi une question de chance peut-être les a t-on déjà photographié, mais il faut des équipes pour analyser et comparer tous les documents et fouiller toute la bande zodiacale.

La planète X n'est toujours pas découverte !

V- Origine de Pluton
Autrefois on pensait que Pluton était un ancien satellite de Neptune qui se serait " évadé ". Aujourd'hui cela semble improbable, en effet, Pluton, Charon et Triton se ressemblent beaucoup (orbites inhabituelles, similitudes de leurs propriétés générales). Ont-ils une origine commune ? On peut le penser si l'on compare leurs dimensions, leurs masses et leurs compositions. Ces trois objets se seraient formés en même temps que les planètes géantes lors de la formation du système solaire, Pluton et Triton circulaient alors sur des orbites indépendantes autour du Soleil, puis :

• Triton aurait été capturé par Neptune
• Pluton se serait installé sur une orbite le protégeant de toute collision avec Neptune par un effet gravitationnel particulier appelé " résonance " (voir plus haut).
• Charon serait sans doute issu d'une collision avec Pluton, ce qui expliquerait l'orbite " anormale " de Pluton d'une part et d'autre part la différence de densité entre les deux corps, Charon ayant récupéré par accrétion une partie de la glace perdue par Pluton lors du choc.
  Pluton et Charon sont peut-être les seuls restes d'un corps plus gros dont les autres parties auraient été éjectées plus loin à l'extérieur ? Ou bien sont-ils issus d'une collision entre Pluton et un autre corps comme ce fut le cas pour la Terre et la Lune ?

VI- Trois grandes questions ?

• La mission Pluto-Express sera t-elle envoyée à temps ? Si nous manquons la chance d'observer Pluton près de la position la plus proche du Soleil, il nous faudra attendre la prochaine occasion au …23ème siècle !
• Quels changements saisonniers ont lieu durant la longue " année " de Pluton ?
• Où se trouve la frontière de notre système solaire ?
  La ceinture de Kuiper s'étend de 30 UA jusqu'à 50 UA, on observe des orbites inclinées jusqu'à 40° ce qui montre que cette ceinture n'est pas un disque plat. Actuellement la limite des petits objets détectables est située à 65 UA, la ceinture de Kuiper s'étend t-elle jusqu'à 1000 UA comme c'est le cas pour les disques de poussières de b Pictoris ou même jusqu'à la partie interne du nuage de Oort ?
  Le nuage de Oort (astronome néerlandais Jan Oort l'a imaginé en 1950) est un très vaste réservoir de noyaux cométaires dont le nombre est estimé à 1000 milliards et dont la masse totale serait équivalente à celle de Jupiter. La partie extérieure de ce nuage de forme sphérique s'étendrait jusqu'à 2 à 3 AL du Soleil.
  A ces distances l'influence de notre Soleil et des grosses planètes est équilibrée par l'influence gravitationnelle des étoiles proches comme Proxima du Centaure située à 4 AL du Soleil.

VII- Exercice
Profitant d'un alignement Pluton-Terre-Soleil (Pluton se trouvant alors à la distance de 6 550 000 000 km du Soleil), les Terriens envoient la sonde CHATON (pour CHAron et pluTON) se déplaçant à la vitesse de 32 000 km/h, vers la dernière planète connue …

• 1- A cette vitesse, quel sera le temps nécessaire à CHATON pour atteindre son but ? (arrondir en années).
• 2- Arrivée à destination, la sonde envoie vers la Terre les photos qu'elle prend. Cette transmission d'images s'effectue à la vitesse de 300 000 km/s). Combien de temps mettront ces photos pour nous parvenir ? (arrondir en heures).

VIII- Dernière minute !
"Découverte d'un imposant monde glacé près de Pluton" titre le journal Le Monde du dimanche 13 et du lundi 14 octobre 2002. C'est un nouvel objet de la ceinture de Kuiper d'un diamètre supérieur à celui de Charon puisqu'il est estimé à 1250 km.
Découvert par Mike Brown et Chad Trujillo (Caltech University, Californie), il a reçu la désignation : 2002 LM 60. Ses découvreurs l'ont baptisé " Quaoar ". Les mesures du HST en font l'astre le plus lointain du système solaire à 6,5 milliards de kilomètres du soleil et effectuant sa révolution en 288 ans.

Références
- L'Astronomie numéro spécial " astéroïdes ", janvier/février 2001
- Éphémérides astronomiques 2003, l'Astronomie numéro hors série
- Atlas illustré de l'Univers K. Krisciunas et B. Yenne, PML Editions
- Voyage dans le système solaire S. Brunier, Bordas
- Initiation à l'astronomie A Acker, Masson
- La Revue des Constellations, carte 22, SAF
- Ciel et Espace, calendrier 2001
- Sous les feux du Soleil J. Lilensten et J. Bornarel, EDP Sciences
- Le Monde (13/14 octobre 2002)