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Uranus
Histoire des découvertes
Située à la limite de la visibilité à l'oeil nu, Uranus avait échappé à l'attention des anciens observateurs et, il a fallu encore attendre un siècle et demi après Galilée et sa première lunette pour que la planète soit enfin remarquée par William Herschel en 1781. Avec cette découverte le Système solaire s'est trouvé considérablement agrandi. Uranus circule sur une orbite qui est le double de celle de Saturne, considérée pour ainsi dire depuis toujours comme le dernier monde avant les étoiles.

Une fois la surprise passée, les astronomes ont mis en évidence le riche système satellitaire de cette planète géante, finalement si semblable à Jupiter et à Saturne. L'image de son disque est cependant restée décevante. Jusqu'en 1986 et son survol par la sonde spatiale Voyager 2 on en saura peu de choses en définitive. A l'exception sans doute du basculement étonnant de son axe sur le plan de son orbite et de cette autre grande surprise qu'aura été la découverte de ses anneaux dès 1977, les premiers a être connus après ceux de Saturne.
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Une étape vers la découverte de Neptune

La découverte d'Uranus a été suivie, à 65 ans d'intervalle, de celle de Neptune. Découverte qu'elle a préparé d'une certaine manière. Dès les premières années du XIXe siècle, Delambre et Bouvard avaient dressé pour Uranus des tables dans lesquelles ils avaient tenu le plus grand compte des perturbations exercées sur la nouvelle planète par Jupiter et par Saturne. Mais Bouvard constata qu'elle ne suivait pas exactement la route qu'il lui avait assignée. Il ne crut pouvoir expliquer les différences entre la marche calculée et la marche observée que par l'existence d'une autre planète, encore inconnue et plus éloignée, dont l'attraction donnerait naissance à une autre série de perturbations, et ce fut cette hypothèse qui, reprise par Le Verrier et par Adams, devait les conduire à la découverte de Neptune.

Dates clés:
1781 découverte d'Uranus par W. Herschel.

1787 - Découverte des satellites Titania et Obéron, par Herschel.

1851 - Découverte des satellites Ariel et Umbriel par Lassell.

1948 - Découverte de Miranda par Kuiper.

1977 - Découverte des anneaux, grâce des occultations d'étoiles

1986 - Survol par la sonde Voyager 2.

La surprise du 13 mars

Quand Uranus a été découverte en le 13 mars 1781 par William Herschel, il n'était encore qu'un astronome très obscur. Il observait avec un télescope de sa construction, grossissant 227 fois, un petit amas d'étoiles situé dans la constellation des Gémeaux, lorsqu'il en remarqua un objet de diamètre inusité. Substituant alors à l'oculaire primitif de l'instrument des oculaires de plus en plus forts, il vit ce diamètre croître à mesure et il constata, en outre, ayant répété l'observation les jours suivants, que l'astre se déplaçait au milieu des autres étoiles. Il ne pensa pas tout d'abord que ce pût être une nouvelle planète, et, malgré l'absence de queue et de chevelure, il le qualifia, dans le mémoire qu'il adressa, le 26 avril 1781, à la Société Royale de Londres, de comète. Or toutes les orbites qu'on imagina par la suite à celle-ci se trouvèrent contredites par les faits et, bien qu'on eût quelque scrupule à reculer les frontières qu'on s'était accoutumé, dès l'origine des temps historiques, à assigner au Système solaire, force fut, lorsqu'il devint hors de doute que la véritable orbite était sensiblement circulaire, de reconnaître qu'on se trouvait en présence d'une nouvelle planète.


Extrait du journal de W. Herschel, daté du 13 mars 1781.
Source : Journal of the Royal astronomical Society of Canada, 1951.

Laplace et Méchain en déterminèrent, les premiers, les éléments. En même temps, on se demanda comment, étant donné qu'elle est visible à l'oeil nu, elle n'avait pas été aperçue plus tôt et, en feuilletant les anciens catalogues d'étoiles situées à proximité de l'écliptique (et appelées alors étoiles zodiacales), on constata qu'elle l'avait déjà été, en réalité, dix-neuf fois. Mais on avait négligé de la suivre plusieurs, jours de suite et, chaque fois, on s'était borné à la noter comme étoile.
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Les dix-neuf occasions manquées...

Avant sa découverte effective, Uranus fut observé trois fois par Flamsteed en 1690, 1712 et 1715; Bradley a observé la planète en 1748, 1750 et 1753; Mayer en 1756; mais c'est surtout Lemonnier qui aurait pu avoir les plus gros regrets. Il note en effet sa présence en 1750 (quatre fois), 1768 (deux fois), 1769 (six fois), et 1771. On a souvent dit que si cet astronome avait transcrit régulièrement ses propres observations, il n'est pas douteux qu'il n'eût enlevé à Herschel la gloire de sa découverte; mais il avait un tel désordre dans ses écritures, qu'on a retrouvé à l'Observatoire l'une de ses observations d'Uranus écrite sur un sac de papier qui avait contenu de la poudre pour les cheveux!

William Herschel n'aurait lui-même rien remarqué d'anormal s'il avait dirigé son télescope vers les Gémeaux onze jours plus tôt. Le petit astre était alors, en effet, dans un de ses points de station et son mouvement propre lui eût échappé. William Herschel revendiqua le droit de baptiser la nouvelle planète et il l'appela Georgium sidus, en l'honneur de George III, roi d'Angleterre. Mais on objecta que le mot sidus signifie étoile et non planète, et même si Herschel rattrapa aussitôt sa gaffe en rebaptisant l'objet Georgian planet, on avait déjà trouvé le prétexte de nombreuses autres propositions. Lalande proposa le nom d'Herschel lui-même.
Dans un courrier qu'il adresse à Herschel en 1784, pour lui annoncer son choix, Lalande écrit : "Nous avons fait graver un caractère pour votre planète; c'est un globe surmonté de la première lettre de votre nom". Puis, il ajoute : "Vous voilà associé malgré vous à toutes les divinités de l'antiquité". Suit alors l'explication du symbole choisi. Il apparaît ainsi que le globe désignait dans l'esprit de Lalande le dieu Ouranos, et non comme on pourrait le croire, le disque de la planète.
Le professeur Prosperin, à Upsala, proposa quant à lui ceux d'Astrée, Cybèle, Neptune. Une idée reprise par Lexell, à St Petersbourg, qui risqua même un compromis en avançant les noms de Neptune de George III ou Neptune de Grande-Bretagne. Bernoulli, à Berlin, suggéra les noms de Hypercronius et de Transaturnis. Lichtenberg, à Göttingen, lança pour sa part le nom d'Austräa, une déesse mentionnée par Ovide, mais que l'on assimile généralement à la constellation de la Vierge, ce qui risquait d'ajouter encore à la confusion du moment... Finalement, Bode, qui étant éditeur du Berliner Astronomisches Jahrbuch, se trouvait à ce titre en position de centraliser quantité de propositions faites en Allemagne, proposa le nom d'Uranus. Il fut aussitôt adopté à Vienne par Hell, qui le fit figurer dans les premières Éphémérides, où figurait la planète. Et le nom a prévalu.

Encore un "système solaire" en miniature

Herschel avait cru, pendant quelques années, que, de même que Saturne, Uranus était entouré de deux anneaux. Il reconnaîtra en 1792 son erreur. Mais il avait trouvé dès 1787 deux satellites avérés, Titania et Obéron (et crut, une fois de plus par erreur, en observer quatre de plus). Lassell, en 1851, en signala deux autres, Ariel et Umbriel, plus rapprochés de la planète que ceux découverts par Herschel. Ces satellites ont montré une particularité qui a beaucoup étonné les astronomes : ils ne tournaient pas comme les autres. Que nous considérions la Terre, Jupiter, Saturne ou Neptune, leurs lunes tournent de l'ouest à l'est, dans le plan des équateurs de ces planètes ou à peu près, et ce plan ne fait pas un angle considérable avec celui de leurs orbites autour du Soleil. Les satellites d'Uranus tournaient au contraire de l'est à l'ouest, et dans un plan presque perpendiculaire à celui dans lequel la planète se meut. Ce constat était le premier de ceux qui mis ensemble allait convaincre de l'autre étrangeté d'Uranus, à savoir que l'axe de rotation d'Uranus est presque couché sur le plan de son orbite, et que le Soleil tourne en apparence dans le ciel uranien d'occident en orient, au lieu de tourner d'orient en occident.
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Représentation du système d'Uranus en 1885.

En attendant que l'exploration in situ permette une nouvelle moisson, un autre satellite,, a encore été découvert depuis le sol le 16 février 1948, par Gerard Kuiper, sur une photographie prise à l'observatoire Yerkes, près de Chicago. Neuf autre plaques prises entre cette date et le 25 mars suivant ont permis à l'astronome d'établir que cette lune avait une orbite plutôt circulaire parcourue en 33 h 56 mn, sur le plan des autres satellites. Selon la tradition, inaugurée par John Herschel, pour les satellites découverts par son père et qui veut que l'on donne aux satellites d'Uranus des noms tirés de l'oeuvre de Shakespeare - c'est encore le cas pour l'un des satellites de Lassell, Ariel, mais ce nom se trouve aussi chez Pope, d'où provient le nom d'Umbriel, absent chez Shakespeare... -, Kuiper a proposé d'appeler le nouvel objet Miranda, un ange gardien, mentionné dans la Tempête.

Mais c'est surtout la détection des anneaux d'Uranus trop tôt annoncés par Herschel qui va constituer la plus grande surprise des observations terrestres. Avant la découverte des anneaux d'Uranus les astronomes ne connaissaient que ceux de Saturne.

Le 10 mars 1977, le suivi (depuis divers observatoires, en particulier en Inde, au Japon, en Australie, avec un télescope de 90 cm, et à bord du C141 Kuiper Airborne Observatory de la Nasa, par J. C. Elliot, de Cornell, et ses collaborateurs) d'une occultation de l'étoile SAO 158687 par le globe d'Uranus a été accompagné d'une autre événement, parfaitement inattendu : une seconde occultation par un corps qui pouvait encore être pris à ce moment là pour un satellite inconnu. C'est ce que n'ont pas manqué d'annoncer d'ailleurs plusieurs astronomes, qui avancent pour la nouvelle lune une diamètre de 70 km et une magnitude visuelle probable de 19.

Mais rapidement, des observations minutieuses d'autres occultations d'étoiles près de la planète, conduites par l'équipe d'Elliot, toujours depuis l'avion de la Nasa, ont permis détecter la présence de neuf fins et très sombres anneaux autour d'Uranus, et d'en déterminer les dimensions et l'inclinaison (avec des incertitudes pour l'anneau e). Voici le tableau que produira Elliot l'année suivante, lors d'une convention astronomique (le rayon est exprimé en kilomètres) :
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Anneau Rayon moyen Remarques
6
41980
Anneaux internes; elliptiques (e~10-3) ou inclinés de quelques dixièmes de degrés; produisent des occultations peu marquées.
5
42 360
4
42 663
a
44 844
Elliptiques (e~10-3) ou inclinés; occultent 50% de la lumière de l'étoile: larges de quelques kilomètres.
b
45 799
h
47 323
Large d'une cinquantaine de km; occultation peu marquée.
g
47 746
Presque circulaires; occultent environ 50% de la lumière de l'étoile; larges de quelques kilomètres.
d
48 423
e
51 036 [ou?]
51 653
Bord interne; largeur : 40 km.
Bord Interne; largeur : 100 km.

Dans la foulée, André Brahic et Michel Hénon, ainsi que Boynton, Gold et Dermott, et, l'année suivant Goldreich et d'autres, ont commencé à étudier la dynamique de ces nouvelles structures. Ainsi s'est ouvert un nouveau chapitre de l'astronomie planétaire, car, alors que jusque là on ne voyait dans les anneaux de Saturne qu'un singularité, la perspective était désormais inversée. Les anneaux devenaient une caractéristique de toutes les planètes géantes. En un peu plus d'une décennie les deux systèmes d'anneaux déjà connus, et ceux qui entourent Jupiter et Neptune, encore à découvrir, seront photographiés et étudiés de près, d'abord depuis l'espace, et désormais aussi depuis le sol grâce aux extraordinaires performances des détecteurs infrarouges dont est équipé le VLT.

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Quand Uranus prend des faux airs de Saturne...
Image dans l'infrarouge, obtenue depuis le sol par le VLT. (Source : ESO ).

Dans la norme des planètes géantes

En 1883, la planète avait présenté d'excellente conditions d'observation, et les astronomes en ont profité pour approfondir son étude. De 25 séries d'observations faites à Milan par Schiaparelli, du 12 avril au 7 juin 1883 (équatorial de 8 pouces = 218 mm), il a résulté que le diamètre équatorial de la planète, vu à la distance moyenne (19,1826 Unités astronomiques), était de 3"91 et le diamètre polaire de 3"556. D'avril à mai 1883, Young a fait, de son côté, à l'Observatoire de Princeton (New-Jersey), à l'aide du grand équatorial de 23 pouces (584 mm) d'autres mesures qui lui ont donné 4"280 pour le diamètre équatorial et 3"974 pour le diamètre polaire.

Dans l'ensemble ces résultats étaient en contradiction avec les observations effectuées par Wilhelm Meyer en 1881 avec le réfracteur de 10 pouces de l'observatoire de Genève et celle de Millosevich, à Rome, qui utilisait un équatorial de 9 pouces (243 mm), et qui ne décelaient ni l'un ni l'autre le moindre aplatissement, mais elles étaient en accord avec les mesures effectuées précédemment par Maedler et Safarik, et qui permettaient de déduire pour Uranus un aplatissement polaire comparable à celui de Saturne. De plus l'orientation de l'axe de rotation déduite était trouvée égale à 197°. Une position qui confirme l'hypothèse (seulement vérifiée au XXe siècle) que le plan de l'équateur d'Uranus coïncide à très peu près avec celui dans lequel se meuvent ses satellites.

Comme le disque d'Uranus révèle peu de détails, les astronomes ont tardé à en évaluer la durée de sa rotation sur lui-même. Même si à l'époque il a été possible de distinguer quelques taches sur la planète; c'est encore à partir de la mesure de l'aplatissement polaire que les astronomes ont pu calculer qu'elle devait se situer entre 11 et 14 heures. La période de rotation était sous-évaluée. Mais avait-on compris que la déformation du globe d'Uranus dénotait une vitesse de rotation très rapide.

Études spectroscopiques
L'analyse spectrale quand elle a été appliquée à Uranus dès 1871 par Huggins, puis par Vogel, l'année suivante, a par ailleurs montré que la planète possédait une atmosphère et qu'elle différait sensiblement de la nôtre par ses facultés d'absorption et se rapprochait beaucoup plus de celles de Saturne et de Jupiter. On y a signalé aussi un certain nombre de gaz dont on ne reconnaissait aucun équivalent sur notre planète.


Spectres d'Uranus obtenus en mai 1889 par Fowler et Taylor. (Source : Albert Taylor, RAS, juin 1889).

D'autres spectres seront obtenus par la suite, notamment par Alfred Fowler, qui était l'assistant de Lockyer, et Albert Taylor en 1889 (profils ci-dessus). Mais ce sont surtout ceux obtenus par Gerard Kuiper en 1949 (ci-dessous) et en 1955, qui seront analysés et discutés en détail. L'astronome avait constaté dans un premier temps la présence dans le spectre de la planète de deux bandes correspondant à des longueurs d'onde de proches de 7500 / 8270 angströms, puis deux autres bandes ont également été mises en évidence. Leur origine était assez mystérieuse. On s'attendait en particulier à ce qu'elles puissent être attribuées à du méthane. Mais elles n'ont pu être retrouvées sur des spectres obtenus en laboratoire. En 1967, de nouveaux travaux, dus cette fois Owen suggèrent que plusieurs structures attribuables au méthane semblent pouvoir être reconnues, dans une autre partie du spectre (vers 800 angströms). Des doutes persistent cependant.


Spectre d'Uranus obtenu par Kuiper (en bas) comparé
à ceux de l'hydrogène (en haut) et de l'azote liquide (au centre).
Source G. Herzberg, ApJ, mai 1952.

Regards stratosphériques
A l'occasion de son vol du 26-27 mars 1970, le Stratoscope II, télescope embarqué à bord d'un ballon, a pris 48 images d'Uranus qui ont montré son globe verdâtre et son assombrissement du centre vers les bords, comparable à celui des autres planètes géantes. Mais aucun détail éventuel des nuages n'est apparu. Un diamètre de 51 800 km (à 600 km près) et une aplatissement polaire de 0,01 est mesuré à cette occasion. Enfin, la densité calculée d'Uranus montre que la planète doit être plus riche en éléments lourds que Jupiter et Saturne.

Quant aux autres résultats, qui concernaient la composition chimique de l'atmosphère, ils restaient problématique. La présence de méthane semblait effectivement possible. Mais une couche très épaisse d'hydrogène au-dessus de l'atmosphère a également été soupçonnée à partir de ces études. Il faudra finalement attendre 1972, et de nouveaux spectres obtenus à l'observatoire Lick, pour que la composition en méthane soit enfin définitivement admise, et que l'on puisse bien y voir l'origine des bandes découvertes par Kuiper.


Le Stratoscope II était un télescope de 91 cm d'ouverture
et de 3,17 tonnes, pouvant monter à 24 km d'altitude.
Il a volé sept fois de 1963 à 1971,
et a principalement servi à étudier la Lune, Vénus et Mars.
Source : Smithsonian Air and Space Museum.

L'exploration spatiale

Uranus a été approché par une unique sonde spatiale. Il s'agissait de Voyager 2, lancée le 20 août 1977 et qui s'est approchée à 81 500 km de la planète le 24 janvier 1986. A cette occasion, quantité de données ont été recueillies par les divers instruments embarqués. La rotation de la planète a ainsi pu être fixée à 17 heure et 14 minutes, et il est également apparu que la température des régions équatoriales est à peu près la même que celle des régions polaires, alors même que celle-ci, du fait de l'inclinaison à 89 de l'axe de rotation, reçoit plus de chaleur en provenance du Soleil. Une importante magnétosphère a été également mise en évidence, et s'est révélée inclinée d'une soixantaine de degrés. Une particularité à mettre ici aussi en rapport avec l'inclinaison de l'axe de rotation.

Par ailleurs, 8 000 clichés ont été transmis. Ceux-ci, à l'instar de ceux transmis par le Stratoscope, n'ont montré que peu de détails sur la planète elle-même, qui est apparue comme un globe enveloppé d'une épaisse couverture nuageuse, uniformément bleu-vert, et ne révélant pratiquement aucun détail. La vingtaine taches observées dans les régions les plus australes (nuages composés apparemment de cristaux de glace de méthane) a mis en évidence des vents soufflant de 100 à 600 km/h. Plus tard, les télescopes terrestres au sol et le télescope spatial Hubble auront finalement une meilleure vision de cette atmosphère, donnant même accès partiellement à sa structure verticale.

Mais se sont surtout des satellites, dont dix de plus ont été découverts, et des anneaux que proviennent les meilleures images et les découvertes les plus étonnantes. 

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