Neptune, le dieu de la mer

Introduction (I)

En 1846, le polytechnicien français Urbain Le Verrier^[1] émit l'hypothèse que "les inégalités d'Uranus [étaient provoquées] par une planète encore ignorée [...] située à une distance moyenne double de celle d'Uranus". Les mathématiciens s'étonnèrent en effet que les tables d'éphémérides d'Uranus différaient jusqu'à 2' d'arc avec la position réelle de la planète. Mais presque personne ne voulut y croire. Présumant une perturbation engendrée par une nouvelle planète, John Adams, étudiant de Cambridge en Angleterre et Urbain Le Verrier entreprirent chacun de leur côté de rechercher cette planète par le calcul. Tous deux annoncèrent l'existence de cette planète et indiquèrent sa position.

Dans une lettre^[2] adressée à Johann Gottfried Galle, assistant à l’Observatoire de Berlin, Le Verrier écrit : “Actuellement, je cherche un observateur persévérant, prêt à sacrifier une partie de son temps à l’examen d’une région du ciel où il y a probablement une nouvelle planète à découvrir. Je suis parvenu à cette conclusion à partir de notre théorie sur Uranus ... On ne peut rendre compte correctement des observations d’Uranus sans introduire l’action d’une nouvelle planète jusqu’alors inconnue ... Dirigez votre télescope vers le point de l’écliptique situé dans la constellation du Verseau, à 326 degrés de longitude, et vous trouverez, à moins d’un degré de ce point, une nouvelle planète ressemblant à une étoile de magnitude égale à neuf environ, et ayant la forme d’un disque perceptible”.

Précédé par sa réputation, seul Le Verrier fut de suite pris au sérieux tandis que le travail de John Adams se perdit dans les arcanes des contrôles successifs. Le temps ne plaidant pas sa cause, son travail sera rapidement mis hors course.

Et de fait, pendant la nuit du 23 septembre 1846, Johann Gottfried Galle de l'Observatoire de Berlin et Heinrich d'Arrest alors étudiant en astronomie se mirent à la recherche de cette nouvelle planète. Moins d’une heure après le début de leur observation, les deux observateurs remarquèrent à 52' de la position déterminée par Le Verrier, un astre de 8^eme magnitude qui ne figurait pas sur les cartes. Ils attendirent la nuit suivante pour vérifier leur observation et découvrirent que l’astre s’était bien déplacé devant le fond des étoiles. Le surlendemain Galle écrivit à Le Verrier : “Monsieur, la planète dont vous avez signalé la position existe réellement”.  

Images de Neptune A gauche, Neptune et son satellite Triton de magnitude 13.5. Kazuyuki Tanaka été réalisé cette image couleur relativement rare au foyer d'un télescope Celestron C8 équipé d'une caméra CCD Meade Pictor 416XT. A droite une image réalisée avec le télescope 2Mass de la NOAO/Caltech à titre de comparaison.

Bien que Le Verrier espérait qu'elle porterait son nom, la communauté scientifique s'accorda pour conserver les noms mythologiques ; la "planète Herschel" sera baptisée Neptune. 

Mais on peut dire avec certitude que Neptune fut virtuellement observée par Galilée à partir du 20 janvier 1613. En effet, des simulations informatiques^[3] de l'observation de Jupiter qu'il fit ces jours là témoignent que Neptune se trouvait à moins d'un degré de Jupiter. Si l'on retrouve bien dans les carnets de Galilée^[4] la consignation d'un objet brillant dans une position conforme aux simulations, il crut cependant observer une "étoile fixe" sans y porter plus d'attention. Son esprit était concentré sur Jupiter et il n'était vraisemblablement pas "préparé" pour rechercher Neptune. C'est un phénomène sur lequel nous reviendrons dans un autre dossier consacré à la philosophie des sciences et au but de la recherche^[5].

Paramètres physiques

Située à 4.5 milliards de km du Soleil soit 30 UA, Neptune boucle son orbite en 164 ans et 280 jours, à la vitesse de 5.4 km/s. Depuis sa découverte elle n'a donc pas encore terminé sa première révolution qu'elle bouclera en 2011 ! Moitié plus éloignée du Soleil qu’Uranus, mais tout aussi volumineux, Neptune est un petit globe de 2.9" d'arc présentant un diamètre équatorial de 49520 km. Cette planète est 4 fois plus grande que la Terre mais 60 fois plus volumineuse avec une masse 17 fois supérieure, équivalent à 1.024x10²⁶ kg. Elle est inclinée de 28°31’ sur le plan orbital qui est quasi circulaire (excentricité de 0.97%) et légèrement incliné de 1°47' sur l'écliptique.

Neptune tourne sur elle-même en 16h 6.7 min et présente en surface, c'est-à-dire au sommet de l'atmosphère, une accélération de la pesanteur égale à 11 m/s², 12% plus élevée que celle que nous subissons en bordure de mer.

D'une magnitude moyenne de 7.84 Neptune est invisible à l'oeil nu et nécessite un télescope d'au moins 90 mm d'ouverture à fort grossissement et un atlas pour être localisée sans erreur et ne pas la confondre parmi les étoiles. Son albédo est de 0.41, plus faible que celui-ci d'Uranus.

Le 25 août 1989 Neptune fut survolée à 4900 km d'altitude par la sonde spatiale Voyager 2 après avoir successivement visité Saturne (1981) et Uranus (1986) avec le succès que l'on sait. Son exploration a considérablement fait progresser la planétologie.

Son atmosphère

 Avec une densité moyenne de 1.5, Neptune est légèrement plus dense qu'Uranus (1.29) et est composé à 85% d'hydrogène, 13% d'hélium et 2% de méthane. Son noyau jusqu'au deux tiers de son rayon est vraisemblablement constitué d'un mélange de matériaux lourds en fusion comprenant du fer, de l'eau, de l'ammoniaque et du méthane liquide. Le tiers supérieur est constitué d'une manteau d'hydrogène moléculaire, d'hélium, d'eau et de méthane. Selon E.D.Miner du JPL,  la couche la plus élevée contiendrait des hydrocarbures noyés dans une brume omniprésente. Comme sur Uranus, le méthane absorbe sélectivement le rayonnement rouge émit par le Soleil, réfléchissant la lumière bleue qui donne cette couleur caractéristique à Neptune.

Les nuages Neptune présente peu de détails mis à part quelques beaux cirrus de méthane. Leur structure étirée, les trains d'ondes associés et la présence de quelques taches sombres font penser que des ondes atmosphériques jouent un rôle majeur dans l'aspect des nuages. Les couleurs sont naturelles. Documents NASA/JPL.

L'activité de son atmosphère se rapproche de celle de Jupiter. La sonde spatiale Voyager 2 a mis en évidence de nombreuses formations nuageuses se déplaçant à grandes vitesses dans la haute atmosphère. Certains vents soufflent à 2400 km/h ! Ces courants sont les plus rapides du système solaire. Les nuages de méthane qu'ils entraînent sont allongés comme nos cirrus ou ramassés sous forme de taches claires. 

En 1989, Voyager 2 découvrit une grande tache sombre (GDS) vers -20° de latitude de la taille de la Terre suivie par une plus petite baptisée “Scooter” (DS 2) dont le coeur était plus brillant autour desquelles soufflaient des vents à 2000 km/h ! On pense que les Scooter étaient en fait des plumes s'élevant au-dessus de nuages plus profonds, un peu à l'image des cirrus qui coiffent nos plus gros cumulo-nimbus. Cinq ans plus tard, en 1994 ces structures atmosphériques avaient disparues.  Les chercheurs du JPL et de MIT qui étudièrent la planète au moyen du Télescope Spatial Hubble n’observaient plus qu’un disque pratiquement sans détails. L’atmosphère de Neptune subit des changements importants en l’espace de quelques mois, voire même en l’espace d’une semaine.

La grande tache sombre GDS permit malgré tout d'estimer la vitesse des courants atmosphérique. Elle effectuait le tour de la planète en 16 heures à une vitesse de 1260 km/h. Il s’agissait d’une formation anticyclonique qui accusait une rotation propre sur elle-même à la vitesse de 650 km/h, évoluant bien plus rapidement que nos formations tropicales.

La Grande Tache Sombre La Grande Tache Sombre (GDS) anticyclonique observée en 1989 par Voyager 2 était entourée de nuages d'altitude circulant à plus de 2000 km/h. Les motifs visibles dans les nuages blancs, peut-être des ondes, ne persistent pas d'une rotation à l'autre. A droite une séquence montrant l'évolution de la GDS. La résolution atteint 100 km par pixel. 18 heures séparent chaque image et révèlent des mouvements aussi dynamiques que ceux que nous connaissons sur Terre mais à une échelle bien supérieure. Documents NASA/JPL.

L’atmosphère de Neptune cache également un grand courant équatorial. Comme Jupiter, Neptune émet 2.8 fois plus d'énergie qu'elle n'en reçoit du Soleil. Alors qu'elle en reçoit déjà 900 fois moins que la Terre, sa température au niveau 1500 mb est stable à -222°C, quelle que soit la latitude et remonte jusqu'à -153°C au niveau 3 bars. Des mouvements de convection répartissent probablement la chaleur interne vers les couches supérieures de l'atmosphère.  

Prochain chapitre

Le champ magnétique, les anneaux et les satellites