Pluton est une planète naine située aux confins du Système solaire, dont l'étude a profondément renouvelé la compréhension des objets transneptuniens et de la diversité des corps célestes. Longtemps considérée comme la "neuvième planète" du Système solaire, elle a été reclassée en 2006 à la suite d'une redéfinition scientifique du concept de planète. Pluton constitue aujourd'hui un objet particulièrement intéressant en raison de sa position dans la ceinture de Kuiper, de sa composition glacée, de sa géologie active et de la complexité de son système de satellites. 

La découverte de Pluton est étroitement liée aux progrès de l'astronomie au début du XX^e siècle. À la suite de la découverte de Neptune en 1846, les astronomes ont envisagé l'existence d'une planète encore plus éloignée, parfois désignée sous le nom de planète X. Les irrégularités supposées dans l'orbite d'Uranus et de Neptune semblaient alors indiquer l'influence gravitationnelle d'un corps inconnu. Percival Lowell consacra une partie importante de ses recherches à la recherche de cet objet depuis l'observatoire Lowell, à Flagstaff en Arizona. Après plusieurs années d'observations et d'analyses photographiques, Clyde W. Tombaugh identifia finalement Pluton le 18 février 1930, à partir de clichés réalisés quelques semaines auparavant. La découverte fut annoncée le 13 mars 1930, date choisie pour coïncider avec le 149^e anniversaire de la découverte d'Uranus et le 75^e anniversaire de la naissance de Lowell.

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Plaines et montagnes de Pluton.
Photos : NASA, Johns Hopkins Univ./APL, Southwest Research Inst).

L'orbite de Pluton est néanmoins parfaitement stable sur de très longues périodes. Cette stabilité est liée à une résonance orbitale avec Neptune. Pluton effectue deux révolutions autour du Soleil pendant que Neptune en accomplit trois. Cette relation, connue sous le nom de résonance 3:2, empêche les deux corps de se rapprocher dangereusement malgré le croisement apparent de leurs trajectoires projetées sur un plan. Leurs positions respectives au moment où Pluton traverse la région orbitale de Neptune sont toujours compatibles avec une configuration gravitationnelle stable. Cet exemple montre que la dynamique du Système solaire ne peut pas être comprise uniquement à partir de la forme géométrique des orbites : les relations de résonance jouent également un rôle essentiel dans la stabilité des systèmes planétaires.

Avec un diamètre d'environ 2377 kilomètres, Pluton est nettement plus petite que la Terre. Sa masse représente environ 0,2 % de celle de notre planète. Elle est également plus petite que la Lune, bien que son diamètre soit comparable à celui de certains satellites naturels importants du Système solaire. Sa densité moyenne, estimée à environ 1,86 g/cm³, indique une composition mixte. Pluton est probablement constituée d'une proportion importante de matériaux rocheux associés à différentes formes de glace. Cette composition est caractéristique des corps glacés du Système solaire externe, qui se sont formés dans des régions suffisamment froides pour permettre la conservation de composés volatils.

Les modèles actuels décrivent Pluton comme un corps différencié. Son intérieur pourrait comprendre un noyau rocheux entouré d'un manteau riche en glace d'eau. La surface est dominée par des glaces plus volatiles, notamment l'azote moléculaire, le méthane et le monoxyde de carbone. La glace d'eau joue un rôle structurel important, car elle est relativement rigide dans les conditions thermiques extrêmement froides de Pluton. À l'inverse, les glaces d'azote et de méthane peuvent participer à des cycles saisonniers de sublimation et de condensation. Cette diversité des propriétés physiques explique en partie la complexité géologique de la planète naine.

Avant 2015, les connaissances concernant la surface de Pluton demeuraient extrêmement limitées. Les meilleures images obtenues à l'aide de télescopes spatiaux révélaient seulement des variations globales de luminosité et de couleur. La situation a radicalement changé avec la mission New Horizons de la NASA. Lancée en janvier 2006, la sonde a survolé Pluton le 14 juillet 2015, après un voyage de plus de neuf ans. Ce survol historique a fourni les premières observations détaillées de la surface et de l'atmosphère de Pluton. Les images transmises ont révélé un monde géologiquement complexe, présentant une grande diversité de terrains.

La structure la plus célèbre observée par New Horizons est Tombaugh Regio, une vaste région claire dont la forme générale rappelle un coeur. Sa partie occidentale, Sputnik Planitia, est une immense plaine recouverte principalement de glace d'azote. Cette région s'étend sur plusieurs centaines de kilomètres et constitue l'un des éléments géologiques les plus remarquables de Pluton. Sa surface présente des structures polygonales qui témoignent d'un processus de convection glaciaire. La glace d'azote située en profondeur peut se réchauffer légèrement, remonter vers la surface, puis s'étendre latéralement avant de se refroidir et de redescendre. Ce mécanisme entraîne un renouvellement lent de la surface et démontre que Pluton possède une activité géologique plus importante qu'on ne le supposait avant le passage de New Horizons.

Les régions montagneuses de Pluton présentent également un intérêt majeur. Certaines montagnes atteignent plusieurs kilomètres d'altitude et sont probablement constituées en grande partie de glace d'eau. Dans les conditions thermiques de Pluton, la glace d'eau possède une rigidité suffisante pour former des reliefs durables. Des terrains fortement fracturés ont également été observés. Leur origine pourrait être liée à des processus de contraction, d'expansion ou de déformation de la croûte glacée. L'étude de ces structures permet d'évaluer l'évolution thermique et mécanique de l'intérieur de Pluton.

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Détails de la surface de Pluton à proximité du limbe. Région des Norgay Montes, ainsi nommée en référence  à l''un des premiers vainqueurs de l'Everest, Tenzing Norgay; 
les plus hauts sommets culminent à 3500 m. L'absence de cratères d'impact révèle la jeunesse
relative de la surface de Pluton, ce qui traduit une d'une géologie active.

L'atmosphère de Pluton est extrêmement ténue. Elle est principalement composée d'azote, avec des quantités plus faibles de méthane et de monoxyde de carbone. Sa pression est très inférieure à celle de l'atmosphère terrestre. Elle est également fortement dépendante de la température de surface et de la distance de Pluton au Soleil. Lorsque la planète naine se rapproche du Soleil, une partie de la glace d'azote se sublime et alimente l'atmosphère. À mesure que Pluton s'éloigne, les gaz peuvent se condenser et se redéposer à la surface. Ce cycle saisonnier est particulièrement lent en raison de la durée exceptionnelle de l'année plutonienne.

Les observations de New Horizons ont révélé des brumes atmosphériques stratifiées s'étendant sur de grandes altitudes. Ces couches de brume sont liées à des réactions photochimiques. Le rayonnement solaire ultraviolet décompose certaines molécules atmosphériques et favorise la formation de composés plus complexes. Ces particules peuvent ensuite se déposer progressivement à la surface. L'atmosphère de Pluton constitue donc un système dynamique dans lequel les échanges entre la surface et l'atmosphère jouent un rôle essentiel. Cette interaction rappelle, par certains aspects, les cycles atmosphériques observés sur d'autres corps planétaires, même si les conditions physiques de Pluton sont radicalement différentes.

La question de l'eau liquide sous la surface de Pluton constitue l'une des hypothèses les plus intéressantes issues de l'étude de la planète naine. Plusieurs modèles géophysiques suggèrent que Pluton pourrait avoir possédé un océan souterrain au cours de son histoire. Cette hypothèse repose notamment sur l'analyse de la structure de certaines régions de surface et sur les modèles d'évolution thermique interne. La chaleur produite par la désintégration radioactive d'éléments présents dans le noyau aurait pu maintenir une partie de l'eau à l'état liquide. Même si l'existence actuelle d'un océan souterrain demeure difficile à établir avec certitude, cette possibilité remet en question l'idée selon laquelle seuls les grands corps planétaires peuvent conserver une activité interne significative.

Pluton possède cinq satellites naturels connus : Charon, Styx, Nix, Kerberos et Hydra. Charon est de loin le plus important et constitue un cas particulier dans le Système solaire. Son diamètre est d'environ 1212 kilomètres, soit un peu plus de la moitié de celui de Pluton. La différence de masse entre les deux corps est donc relativement faible. Le centre de masse du système Pluton-Charon se situe à l'extérieur de Pluton, ce qui conduit certains chercheurs à parler d'un système binaire plutôt que d'une planète accompagnée d'un satellite classique. Les deux corps sont en rotation synchrone mutuelle : chacun présente toujours la même face à l'autre.

Les quatre petits satellites de Pluton présentent des caractéristiques dynamiques originales. Styx, Nix, Kerberos et Hydra orbitent autour du couple Pluton-Charon. Leurs orbites sont influencées par la gravité combinée des deux corps principaux. Certains de ces satellites possèdent des rotations particulièrement irrégulières, probablement en raison de leur forme allongée et de l'influence gravitationnelle du système binaire. L'étude de ces satellites fournit des informations sur les conditions de formation du système plutonien. Une hypothèse largement étudiée est celle d'une collision ancienne entre Pluton et un autre corps de grande taille, collision qui aurait pu produire les matériaux à l'origine de Charon et des petits satellites.
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Le système satellitaire de Pluton.
Crédits :  NASA./ ESA, Mark Showalter (SETI Institute).

Nix.	Styx et (au-dessous) Kerberos	Hydra.

L'exploration de Pluton par New Horizons a donc constitué une étape fondamentale de l'astronomie planétaire. La mission a non seulement fourni des données sur Pluton, mais a également permis d'observer Arrokoth, un objet de la ceinture de Kuiper, lors d'un survol ultérieur. Les résultats obtenus ont renforcé l'intérêt scientifique pour les objets transneptuniens. Ces corps sont considérés comme relativement primitifs, car ils ont été moins transformés par des processus géologiques que les planètes telluriques. Ils peuvent ainsi conserver des informations sur les conditions physiques et chimiques qui régnaient dans les régions externes du disque protoplanétaire au début de l'histoire du Système solaire.

L'étude de Pluton présente également une importance théorique majeure. Elle montre que la taille d'un corps ne suffit pas à déterminer son niveau de complexité géologique. Malgré sa faible masse et son éloignement considérable du Soleil, Pluton possède une surface active, une atmosphère variable, des cycles de glaces et peut-être un océan souterrain. Ces caractéristiques invitent à reconsidérer les modèles classiques de l'évolution des petits corps glacés. Elles suggèrent que de nombreux objets de la ceinture de Kuiper pourraient présenter des processus géophysiques jusqu'alors sous-estimés.
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Clichés de Pluton et Charon, photographiés par la sonde New Horizons. Photo : NASA.