Uranus (planète)

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Uranus Uranus : symbole astronomique
Image illustrative de l'article Uranus (planète)
Uranus vue par la sonde Voyager 2 en 1986.
Caractéristiques orbitales
Demi-grand axe 2 870 658 186 km
(19,189165  UA)
Aphélie 3 006 318 143  km
(20,096  UA)
Périhélie 2 734 998 229  km
(18,282  UA)
Circonférence orbitale 18 026 802 831  km
(120,52  UA)
Excentricité 0,04725744
Période de révolution 30 687,15  j
(84,016846 ans)
Période synodique 369,66  j
Vitesse orbitale moyenne 6,80  km/ s
Vitesse orbitale maximale 7,128 ?  km/ s
Vitesse orbitale minimale 6,486 ?  km/ s
Inclinaison sur l’ écliptique 0,77 °
Nœud ascendant 73,989821 °
Argument du périhélie 96,541318 °
Satellites connus 27
Anneaux connus 13
Caractéristiques physiques
Rayon équatorial 25 559 ± 4  km
(4,007 Terres)
Rayon polaire 25 362  km
(3,9809 Terres)
Aplatissement 0,02293
Périmètre équatorial 159 354 1 km
(3,9809 Terres)
Superficie 8,0831×109  km2
(15,847 Terres)
Volume 6,83344×1013  km3
(63,085 Terres)
Masse 8,6810×1025  kg
(14,536 Terres)
Masse volumique globale 1 270  kg/m3
Gravité de surface 8,87  m/ s2
(0,904 g)
Vitesse de libération 21,3  km/ s
Période de rotation
( jour sidéral)
-0,718  d
(17.23992 h ( rétrograde))
Vitesse de rotation
(à l’ équateur)
9 320  km/ h
Inclinaison de l’axe 97,8°
Ascension droite du pôle nord 77,43°
Déclinaison du pôle nord 15,10°
Albédo géométrique visuel 0,51
Albédo de Bond 0,300
Irradiance solaire 3,71  W/ m2
(0,003 Terre)
Température d’équilibre
du corps noir
57  K (-216  °C)
Température de surface
• Température à 10  k Pa 53  K (-220  °C)
• Température à 100  k Pa 76  K (-197  °C)
Caractéristiques de l’atmosphère
Masse volumique
à 100  k Pa
0,42  kg/m3
Hauteur d’échelle 27,7  km
Masse molaire moyenne 2,64  g/ mol
Hydrogène H2 83 %
Hélium He 15 %
Méthane CH4 2,3 %
Ammoniac NH3 0,01%
Éthane C2H6 2,5 ppm
Acétylène C2H2 100 ppb
Monoxyde de carbone CO traces
Sulfure d'hydrogène H2S traces
Histoire
Découverte par William Herschel
Découverte le

Uranus est une planète géante de glaces de type Neptune froid. Il s'agit de la 7e planète du Système solaire par sa distance au Soleil, de la 3e par la taille et de la 4e par la masse. Elle doit son nom à la divinité romaine du ciel, Uranus, père de Saturne et grand-père de Jupiter. Uranus est la première planète découverte à l’ époque moderne. Bien qu'elle soit visible à l’œil nu comme les cinq planètes déjà connues, son caractère planétaire ne fut pas identifié en raison de son très faible éclat (à la limite de la visibilité) et de son déplacement apparent très lent. William Herschel annonce sa découverte le , élargissant les frontières connues du Système solaire pour la première fois à l’époque moderne. Uranus est la première planète découverte à l’aide d’un télescope.

Uranus et Neptune ont des compositions internes et atmosphériques différentes de celles des deux plus grandes géantes gazeuses, Jupiter et Saturne. Les astronomes les placent donc de nos jours généralement dans une catégorie différente, celle des géantes glacées ou des sous-géantes. L’atmosphère d’Uranus, bien que composée principalement d’ hydrogène et d’ hélium, contient une proportion plus importante de glaces d’ eau, d’ ammoniac et de méthane, ainsi que les traces habituelles d’ hydrocarbures. Uranus est la planète du Système solaire dont l’atmosphère est la plus froide, sa température minimale étant de 49  K (-224  °C), à la tropopause (vers 56 km d'altitude et 0,1 bar, le niveau zéro étant défini à une pression d'un bar).

À l’instar des autres géantes gazeuses, Uranus a un système d’anneaux, une magnétosphère et de nombreux satellites naturels. Le système uranien est unique dans le Système solaire car son axe de rotation est pratiquement dans son plan de révolution autour du Soleil ; les pôles nord et sud sont situés où les autres planètes ont leur équateur. En 1986, les images de Voyager 2 ont montré Uranus comme une planète sans caractéristique particulière en lumière visible. De même, les bandes nuageuses ou tempêtes observées sur les autres planètes gazeuses ne semblent pas présentes ici. Cette visite de la sonde se produisit près du solstice, l'hémisphère éclairé était alors principalement son hémisphère austral.

Cependant, les observateurs terrestres ainsi que le télescope spatial Hubble ont depuis constaté des signes de changements saisonniers et une augmentation de l’activité météorologique ces dernières années, Uranus approchant alors de son équinoxe, qu'il a atteint le .

Histoire

Premières observations

Dessin d'une constellation d'étoiles avec la représentation d'un taureau en filigrane.
La constellation du Taureau dans l’ Atlas Coelestis de John Flamsteed.

Contrairement à Mercure, Vénus, Mars, Jupiter et Saturne, Uranus ne fut pas découverte dans l' Antiquité. Étant loin du Soleil et circulant lentement sur son orbite, Uranus fut observée à de nombreuses occasions et apparaissait comme une simple étoile jusqu'au XVIIIe siècle en raison de son très faible éclat, à la limite de la visibilité et de son déplacement apparent très lent [1]. La plus ancienne mention prouvée date de 1690 lorsque John Flamsteed l’observe au moins six fois et la catalogue en tant qu'étoile sous le nom de 34 Tauri [2]. L’astronome français Pierre Charles Le Monnier observe Uranus au moins douze fois entre 1750 et 1769 [3].

Uranus a peut-être été observée par Hipparque en 128 128 av. J.-C. En effet, un astérisme cité dans l’ Almageste de Claude Ptolémée, reprenant les travaux d'Hipparque, ne peut être résolu que par la présence d'Uranus à cette époque. Uranus à mi-avril 128 av. J.-C. était dans des conditions d'observation très favorables : proche de son périhélie, magnitude de 5,4, à 33° du zénith [4], [5].

John Bevis a peut-être également observé Uranus en 1738, des indices concordent avec une observation possible d'Uranus mais sans preuve définitive [6].

Découverte

Portait peint d'un homme de regardant légèrement vers le haut sur sa gauche.
William Herschel.

William Herschel découvre la planète le lors d’une recherche systématique d’ étoiles doubles à l’aide d’un télescope dans le jardin de sa maison du 19 New King Street à Bath dans le Somerset en Angleterre (désormais le Musée d'astronomie Herschel) [7] mais n’annonce la découverte que le , en tant que comète [8]. Herschel avait entrepris une série de mesures de la parallaxe des étoiles fixes en utilisant un télescope de sa conception [9]. À la frontière des constellations des Gémeaux et du Taureau, Herschel remarque au milieu des points-étoiles une petite tache semblant sortir de derrière la planète Saturne. Il change alors successivement d’ oculaire, passant du grossissement 227 à 460. Il note alors que la petite tache double de taille. Il change à nouveau d’oculaire pour un grossissement de 932, 1 536 et 2 010, et là encore, l’objet augmente de taille à chaque fois, tandis que les étoiles tout autour, très éloignées, ne varient pas en taille et restent de simples points brillants. Cela ne peut être une étoile ; il écrit donc dans son journal l’observation d’un curieux objet, une nébuleuse ou une comète. Il note la position de l’astre, puis quelques jours après reprend son observation. La petite tache avait bougé, ça ne pouvait être une nébuleuse, donc c’était une comète. Il décide alors de prévenir la communauté scientifique de sa découverte et envoie un courrier avec les détails de sa comète au directeur de l’ observatoire d’Oxford, Thomas Hornsby. Il informe également l’ astronome royal Nevil Maskelyne de l’ observatoire de Greenwich. Celui-ci, après avoir observé la comète et constaté qu’elle se comportait différemment des autres, conseille à Herschel d’écrire à la Royal Society mais n’annonce la découverte que le , en tant que comète [8].

Confirmation de son existence

Herschel avertit l’ astronome royal, Nevil Maskelyne, de sa découverte. Ce dernier ne peut trancher entre l'hypothèse d'une planète et celle d'une comète [10], il répand la nouvelle à travers les milieux scientifiques [11].

Tandis qu’Herschel continue par précaution à appeler ce nouvel objet une comète, d’autres astronomes soupçonnent sa véritable nature. L’astronome russe Anders Lexell estime sa distance à dix-huit fois la distance Terre-Soleil. Aucune comète ayant un périhélie supérieur à quatre fois la distance Terre-Soleil n’a alors jamais été observée [10]. L’astronome berlinois Johann Elert Bode pense que la découverte d’Herschel est un type d’objet planétaire jusqu’alors inconnu orbitant au-delà de l’orbite de Saturne [12]. Bode conclut que son orbite presque circulaire ressemble davantage à celle d’une planète que d’une comète [13].

Les astronomes commencent alors le calcul de la trajectoire de la « comète », en prenant le modèle classique des orbites de comètes : une parabole, mais celle-ci ne semblait pas vouloir se conformer au modèle prévu. L'astronome français Charles Messier remarque alors qu’avec son aspect de disque, elle ressemblait plus à Jupiter qu’aux dix-huit autres comètes qu’il avait observées [10]. Anders Lexell tente, lui, de calculer l’orbite en appliquant le modèle d’une planète. À sa grande surprise, cette trajectoire semble correspondre et prouve aux autres astronomes la nature de l’objet : une planète et non une comète [10].

L’objet est bientôt unanimement accepté en tant que planète. En 1783, Herschel lui-même le reconnaît auprès du président de la Royal Society Joseph Banks [14]. Le roi George George III récompense Herschel de sa découverte en lui attribuant une rente annuelle de 200  livres à condition qu’il s’installe à Windsor afin que la famille royale puisse regarder à travers ses télescopes [15].

Choix du nom de la nouvelle planète

Dessin d'un homme peu vêtu et semi-allongé.
Uranus, dieu romain du ciel.

Maskelyne demande à Herschel de donner un nom à cette nouvelle planète, étant le découvreur de cette dernière [10]. En réponse, Herschel décide de nommer l'objet « Georgium Sidus » (étoile de George), ou « Georgian Planet » (planète Géorgienne) en l'honneur de son nouveau mécène, le roi George III [16]. Il explique cette décision dans une lettre à Joseph Banks en déclarant que dans l' Antiquité, les planètes ont été nommées d'après les noms des divinités principales. Dans l'ère actuelle, il ne serait guère admissible d'avoir recours à la même méthode pour nommer le nouveau corps céleste. Pour lui, l'important pour le désigner est de savoir quand il a été découvert et sa réponse fut « sous le règne du roi George III [14] ».

Cependant, le nom proposé par Herschel n'est pas populaire en dehors de la Grande-Bretagne, et des solutions alternatives pour un nom sont rapidement proposées. L'astronome Joseph Jérôme Lefrançois de Lalande propose de nommer la planète Herschel en l'honneur de son découvreur. L'astronome suédois Erik Prosperin proposa le nom de Neptune qui a été soutenu par d'autres astronomes qui ont aimé l'idée de commémorer les victoires de la flotte britannique Royal Navy dans le cadre de la Guerre d'indépendance des États-Unis en appelant même la nouvelle planète « Neptune George III » ou « Neptune Great Britain » [17]. Johann Elert Bode a opté pour Uranus, la version latinisée du dieu grec du ciel, Ouranos. Bode a fait valoir que, tout comme Saturne était le père de Jupiter, la nouvelle planète devrait être nommée d'après le père de Saturne [16]. En 1789, Martin Klaproth, qui sera plus tard le collègue de Bode à la Royal Academy, a nommé son élément nouvellement découvert «  uranium » avec l'appui du choix de Bode [18]. En fin de compte, la suggestion d'Uranus devient la plus largement utilisée, et est devenue universelle en 1850, lorsque le HM Nautical Almanac Office, le dernier obstacle, délaisse Sidus Georgium pour Uranus [19].

Après la découverte

Cercles concentriques figurant les orbites des planètes du Système solaire, la période de révolution est indiquée à l'intérieur de chaque cercle.
Dessin du système solaire par Percival Lowell en 1903.

Au XIXe siècle et XXe siècle, il est très difficile d'observer correctement la surface d'Uranus. La seule découverte de l'époque est celle de Giovanni Schiaparelli qui distingue malaisément quelques taches. Par spectroscopie et photométrie, les scientifiques, avant 1937, ont pu fixer à 10 heures la rotation de la planète qui était vue comme rétrograde [20].

En 1948, Gerard Kuiper découvrit Miranda, le plus petit et le dernier des cinq grands satellites sphériques d'Uranus, à l' observatoire McDonald [21], [22].

Le 10 mars 1977, les anneaux d’Uranus sont découverts par hasard par les astronomes James L. Elliot, Edward W. Dunham et Douglas J. Mink, embarqués à bord de l' observatoire aéroporté Kuiper. Les astronomes veulent utiliser l’ occultation de l’étoile SAO 158687 par Uranus pour étudier l’atmosphère de cette planète [23]. Or l’analyse de leurs observations met en évidence que l'étoile a été brièvement masquée à cinq reprises avant et après l’occultation par Uranus ; les trois astronomes concluent à la présence d’un système d’anneaux étroits [23], [24]. Dans leurs articles, ils désignent les cinq occultations observées par les cinq premières lettres de l' alphabet grec : α, β, γ, δ et ε [23] ; ces désignations sont réutilisées par la suite pour nommer les anneaux. Peu de temps après, Elliot, Dunham et Mink découvrent quatre autres anneaux : l'un d'eux est situé entre les anneaux β et γ et les trois autres à l’intérieur de l’anneau α [25]. Le premier est nommé η et les autres 4, 5 et 6, selon le système de numérotation des occultations adopté lors de la rédaction d'un autre article [26]. Le système d’anneaux d’Uranus est le second découvert dans le système solaire, après celui de Saturne [27].

Survol de Voyager 2

Sphère d'un bleu clair quasi-régulier, la source de lumière est à gauche.
Photo d'Uranus prise par Voyager 2.

La planète géante de glace Uranus a un axe de rotation fortement incliné pratiquement situé dans son plan de révolution autour du Soleil. La recherche d’indices pouvant expliquer cette particularité unique dans le Système solaire est un des objectifs assignés à la sonde Voyager 2 qui est la première sonde à effectuer un survol de la planète. Voyager 2 met en évidence la présence d’un champ magnétique dont l’intensité est proche de celui de la Terre et qui est incliné de 60° par rapport à l’axe de rotation de la planète [28].

Voyager 2 découvre dix nouvelles lunes en plus des cinq déjà connues. Toutes ces lunes sont de petite taille, la plus grande ayant un diamètre de 150 km. Les cinq lunes déjà connues sont des agglomérats de roche et de glace comme les lunes de Saturne [29].

Les neuf anneaux d’Uranus, découverts en 1977 et 1978 depuis la Terre, sont analysés par la sonde et montrent des caractéristiques différentes de ceux de Saturne et Jupiter. Ces analyses permirent de mettre en évidence qu'ils ne se sont pas formés en même temps qu’Uranus et que leur apparition est relativement récente. Les composants qui les forment sont peut-être les restes d’une lune qui aurait été fragmentée, soit par un impact avec un autre objet céleste se déplaçant à très grande vitesse, soit par les forces gravitationnelles de la planète mère [30].

Après Voyager 2

Depuis 1997, neuf satellites irréguliers extérieurs ont été identifiés à l'aide de télescopes au sol [31]. Deux lunes intérieures supplémentaires, Cupid et Mab, ont été découvertes grâce au télescope spatial Hubble en 2003 [32]. Le satellite Margaret est le dernier découvert ; sa découverte fut publiée en [33].

Deux photos comparant les anneaux connus en 2003 et 2005.
Les anneaux d’Uranus en 2005.

Le télescope spatial Hubble permit de prendre des photos correctes d'Uranus depuis la Terre. Entre 2003 et 2005, grâce aux observations ainsi effectuées, une nouvelle paire d’anneaux a été découverte, baptisée par la suite système d’anneaux externe, ce qui porte le nombre d’anneaux d’Uranus à treize [32]. Ils ont été nommés anneaux μ et ν (mu et nu) [34]. L’anneau μ, le plus externe, se trouve deux fois plus éloigné de la planète que l’anneau brillant η [32]. Ces anneaux externes diffèrent des anneaux internes étroits par de nombreuses caractéristiques : μ et ν sont larges (17 000 km et 3 800 km) et très ténus ; leurs épaisseurs optiques normales maximales sont de 8,5×10-6 et 5,4×10-6 ; leurs épaisseurs optiques équivalentes sont respectivement de 0,14 kilomètre et 0,012 kilomètres. Leur profil radial de brillance est triangulaire [32].

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