Neptune (planète)

Neptune
Neptune vue par la sonde Voyager 2 en 1989.
Caractéristiques orbitales
Demi-grand axe	4 503 443 661 km (30,10366151 UA)
Aphélie	4 553 946 490 km (30,44125206 UA)
Périhélie	4 452 940 833 km (29,76607095 UA)
Circonférence orbitale	28,295449561×109 km (189,14 UA)
Excentricité	0,00858587
Période de révolution	60 224,9036 d (164 a 323 d 21,7 h)
Période synodique	367,4857 d
Vitesse orbitale moyenne	5,4317 km/s
Vitesse orbitale maximale	5,479 km/s
Vitesse orbitale minimale	5,385 km/s
Inclinaison sur l’écliptique	1,76917°
Nœud ascendant	131,72169°
Argument du périhélie	273,24966°
Satellites connus	14, notamment Triton.
Anneaux connus	5 principaux.
Caractéristiques physiques
Rayon équatorial	24 764 ± 15 km (3,883 Terres)
Rayon polaire	24 341 ± 30 km (3,829 Terres)
Rayon moyen volumétrique	24 622 km (3,865 Terres)
Aplatissement	0,0171
Périmètre équatorial	155 597 km
Superficie	7,6408×109 km2 (14,98 Terres)
Volume	62,526×1012 km3 (57,74 Terres)
Masse	102,43×1024 kg (17,147 Terres)
Masse volumique globale	1 638 kg/m3
Gravité de surface	11,15 m/s2 (1,14 g)
Vitesse de libération	23,5 km/s
Période de rotation (jour sidéral)	0,67125 d (16 h 6,6 min)
Vitesse de rotation (à l’équateur)	9 660 km/h
Inclinaison de l’axe	29,58°
Ascension droite du pôle nord	299,36°
Déclinaison du pôle nord	43,46°
Albédo géométrique visuel	0,41
Albédo de Bond	0,29
Irradiance solaire	1,51 W/m2 (0,001 Terre)
Température d’équilibre du corps noir	46,6 K (-226,4 °C)
Température de surface
• Température à 10 kPa	55 K (-218 °C)
• Température à 100 kPa	72 K (-201 °C)
Caractéristiques de l’atmosphère
Masse volumique à 100 kPa	0,45 kg/m3
Hauteur d’échelle	19,1 à 20,3 km
Masse molaire moyenne	2,53 à 2,69 g/mol
Dihydrogène H2	80 ± 3,2 %
Hélium He	19 ± 3,2 %
Méthane CH4	1,5 ± 0,5 %
Deutérure d'hydrogène HD	190 ppm
Ammoniac NH3	100 ppm
Éthane C2H6	2,5 ppm
Acétylène C2H2	100 ppb
Histoire
Découverte par	Urbain Le Verrier (calcul), Johann Gottfried Galle (obs.) sur les indications d'Urbain Le Verrier. Voir Découverte de Neptune.
Découverte le	31 août 1846 (calcul*) 23 septembre 1846 (obs.) (*) date de publication des résultats entrepris par Le Verrier depuis 1844.
modifier

Neptune est la huitième et dernière planète du Système solaire par distance croissante au Soleil^[1].

Neptune orbite autour du Soleil à une distance d'environ 30 UA avec une excentricité orbitale moitié moindre que celle de la Terre en bouclant une révolution complète en 164,79 ans. C'est la troisième planète du Système solaire par masse décroissante — elle est 17 fois plus massive que la Terre et 19 fois moins massive que Jupiter — et la quatrième par taille décroissante ; Neptune est en effet à la fois un peu plus massive et un peu plus petite qu'Uranus.

Neptune et Uranus, toutes les deux géantes de glaces, plus précisément des planètes de type Neptune froid, ont une composition similaire, différente de celle des deux autres planètes géantes, Jupiter et Saturne, qui sont des géantes gazeuses de type Jupiter froid. Comme ces dernières, l'atmosphère de Neptune est principalement constituée d'hydrogène et d'hélium avec des traces d'hydrocarbures et peut-être d'azote, mais contiendrait davantage de « glaces » (au sens astrophysique), c'est-à-dire de composés volatils tels que l'eau, l'ammoniac et le méthane. Ce dernier est d'ailleurs partiellement responsable de la teinte bleue de l'atmosphère de Neptune, bien que l'origine de ce bleu très soutenu — plus soutenu que celui produit par le seul méthane — soit en fait inconnue.

Neptune est la seule des huit planètes connues à avoir été découverte par le calcul mathématique plutôt que par l'observation empirique. L'astronome français Alexis Bouvard avait noté des perturbations inexpliquées sur l'orbite d'Uranus et conjecturé au début du XIX^e siècle qu'une huitième planète, plus lointaine, pouvait en être la cause. Les astronomes britannique John Couch Adams en 1843 et français Urbain Le Verrier en 1846 calculèrent chacun de leur côté et par des méthodes différentes la position prévisible de cette hypothétique planète, qui fut observée le 23 septembre 1846 par l'astronome allemand Johann Gottfried Galle à 1° de la position alors calculée par Le Verrier, et à 12° de celle calculée par Adams.

Le nom de cette huitième planète vient de Neptune le dieu des océans dans la mythologie romaine. Son symbole astronomique est une version stylisée du trident du dieu Neptune, tandis que son symbole alternatif représente les initiales de Le Verrier.

Histoire

Premières apparitions

Neptune n'est pas visible à l'œil nu et, comme Uranus, elle n'a été découverte qu'après l'invention du télescope. Pourtant, cette découverte se démarque de celle des autres planètes : elle a été faite uniquement par le calcul à partir de la trajectoire et des caractéristiques d'Uranus. Le télescope ne servira qu'à la confirmation de la découverte.

Plusieurs astronomes ont manqué de faire la découverte par les moyens traditionnels (observation au télescope). Les dessins astronomiques de Galilée montrent qu'il a observé Neptune le 28 décembre 1612 alors qu'il regardait Jupiter. La planète est alors répertoriée comme une simple étoile de magnitude 8. Il la remarque de nouveau dans le ciel un mois plus tard, le 28 janvier 1613, et constate même qu'elle a bougé par rapport à une étoile voisine. Ce ne peut donc être une étoile, mais Galilée ne tire aucune conclusion et n'en reparlera plus par la suite. Comme il pensait qu'il s'agissait d'une étoile, il ne peut alors être crédité de sa découverte^[2].

Neptune est également observée par Joseph Jérôme Lefrançois de Lalande (1732-1807) le 10 mai 1796 et par John Herschel, fils de William Herschel (qui a découvert Uranus), sans rien noter de particulier. La planète semblant échapper aux astronomes, la découverte reviendra à deux mathématiciens^[3].

Déjà en 1788, la planète Uranus récemment découverte, ne semblait pas se conformer au modèle d'orbite que les astronomes avaient prédit. Plus le temps passait et plus l'erreur entre la position annoncée de l'astre et celle relevée augmentait. Le mouvement d'Uranus pouvait être prédit pour des observations anciennes, ou récentes, mais pas pour les deux à la fois. Jean-Baptiste Delambre tenta d'expliquer les anomalies en ajoutant l'influence gravitationnelle de Jupiter et Saturne dans ses calculs. Ses tables étaient plus précises, mais ne permettaient toujours pas de prévoir le mouvement de la planète sur un long terme. En 1821, l'astronome français Alexis Bouvard publia de nouvelles tables. Il utilisa 17 observations étalées sur les 40 années qui se sont écoulées depuis sa découverte pour tenter, en vain, d'expliquer l'orbite d'Uranus^[4].

Recherche d'une planète transuranienne

Lors d'une réunion de la British Association for the Advancement of Science, George Biddell Airy rapporta que les tables de Bouvard étaient erronées de plus d'une demi minute d'arc. Cet écart inquiétant devait absolument être résolu. Deux hypothèses s'opposèrent, celle proposée par Bouvard lui-même de l'existence d'une autre planète encore inconnue, et qui pourrait affecter les mouvements d'Uranus, ou celle d'une remise en cause de la loi universelle de la gravitation, proposée par Airy. Selon Airy, la loi de gravitation perdrait de sa validité au fur et à mesure que l'on s'éloigne du Soleil. Cependant, dès 1838, la plupart des astronomes étaient d'accord sur l'existence d'une nouvelle planète trans-uranienne pour expliquer les perturbations du mouvement d'Uranus^[5].

Étudiant à Cambridge, John Couch Adams tomba le 26 juin 1841 sur le rapport d'Airy concernant le problème de l'orbite d'Uranus et fut intéressé par la question. Ne pouvant se pencher sur le problème immédiatement, il le nota sur un bout de papier en guise de pense-bête afin de le reprendre une fois ses études finies. En 1843, Adams se mit au travail. Il s'appuya sur la loi de Titius-Bode pour obtenir une première approximation de la distance de cette nouvelle planète au Soleil. Dans la mesure où la plupart des planètes avaient une orbite faiblement excentrique, il supposa également que son orbite était circulaire, afin de simplifier les calculs. Il termina ses travaux deux ans plus tard en ayant déterminé la position de Neptune avec une erreur de moins de deux degrés. Il ne lui manquait plus qu'à les confirmer par observation. Se tournant vers James Challis, directeur de l'observatoire de Cambridge, celui-ci le renvoya à l'astronome royal Sir George Biddell Airy. Adams transmit ses résultats à Airy par courrier le 21 octobre 1845, et obtint une réponse le 5 du mois suivant. Airy émit des doutes sur les travaux de son jeune collègue. Découragé par le comportement d'Airy, Adams ne lui répondra qu'un an après^[6].

Au même moment en France, François Arago, directeur de l'observatoire de Paris, encourage le mathématicien Urbain Le Verrier, spécialisé en mécanique céleste, à déterminer les caractéristiques de cette huitième planète dont l'influence gravitationnelle se faisait sentir sur la trajectoire d'Uranus. Le Verrier travaillait alors sur les comètes de courte période. Il commence ses travaux sur Uranus en 1845, ignorant totalement ceux d'Adams, et publie ses premiers résultats le 10 novembre 1845 dans Premier Mémoire sur la Théorie d'Uranus, puis dans Recherche sur les Mouvements d'Uranus le 1^er juin 1846^[7].

Airy, remarquant les travaux de l'astronome français, fait le parallèle avec ceux d'Adams et entre en contact avec Le Verrier. Celui-ci lui demande à son tour d'effectuer les recherches de la planète à l'aide des calculs qu'il vient de publier, mais Airy refuse. Finalement, sous la pression de George Peacock, Airy demande à Challis le 12 juillet 1846 d'entreprendre la recherche du nouvel astre au télescope. Adams, informé par le directeur de Cambridge, fournit de nouvelles coordonnées à Challis en précisant que l'objet serait de magnitude 9, mais Airy proposa à Challis d'observer une large portion du ciel et jusqu'à magnitude 11. Cette méthode demandait à Challis beaucoup plus de temps d'observation, d'autant plus qu'il ne disposait pas de cartes fiables de la zone à observer. Challis commença ses recherches le 1^er août 1846^[8].

Découverte de Neptune

Le Verrier communique ses résultats définitifs à l'Académie des sciences le 31 août 1846. Devant le peu d'enthousiasme des astronomes français, il décide de faire alors appel à une de ses connaissances : l'astronome prussien Johann Gottfried Galle de l'observatoire de Berlin. Galle reçoit la position de Neptune par courrier le 23 septembre 1846. Le soir même, il pointe son télescope de 23 cm vers l'endroit indiqué et passe au peigne fin toutes les étoiles de la région, pendant que son assistant Heinrich Louis d'Arrest vérifie si l'astre observé est répertorié sur les cartes stellaires récentes de Bremiker. Vers minuit, Galle trouve Neptune, à environ un degré de l'emplacement calculé^[9]. Il attend quelques heures pour vérifier si l'astre a bien bougé, avant de confirmer qu'il s'agit bien de la planète recherchée^[10].

Outre-Manche, la déception est grande. Challis apprend la découverte en lisant le Times. En revoyant ses notes, il découvre même qu'il a observé Neptune deux fois depuis le 1^er août. Une vive polémique s'ensuit jusque dans la presse. Les Britanniques ressortent les papiers d'Adams s'écriant que la découverte leur revient. De leur côté, les Français réfutent en rappelant que seule une publication officielle peut valider la découverte, et refusent de pied ferme que le nom d'Adams figure à côté de celui de Le Verrier dans les livres d'histoire. En juin 1847, Adams et Le Verrier se sont rencontrés pour la première fois à la British Association for the Advancement of Science et ont entretenu par la suite une relation amicale^[11],[12].

Lors de nouveaux calculs sur les caractéristiques orbitales de Neptune, on s'aperçut que ceux de Le Verrier et Adams étaient faux, bien que tous deux aient annoncé la position de la planète non loin de sa position réelle. Le premier avait déterminé un rayon de 36,154 ua et une excentricité de 0,107 tandis que le second avait trouvé un rayon de 37,25 ua. Le rayon réel de l'orbite de Neptune est 30,1 ua et son excentricité inférieure à 0,009. Par ailleurs, des historiens ont trouvé des éléments qui tendent à montrer que les solutions d'Adams ne convergeaient pas mais variaient par plus de 35 degrés de longitude^[13],[14].

Nom de la nouvelle planète

Peu de temps après sa découverte, Neptune fut appelée simplement « la planète extérieure à Uranus » ou comme « planète Le Verrier ». La première suggestion pour un nom venu de Galle, qui a proposé le nom de Janus, du dieu romain des commencements et des fins, des choix et des portes. En Angleterre, Challis mettait en avant le nom d'Océan, un Titan, fils d'Ouranos (équivalent grec d'Uranus)^[15].

Revendiquant le droit de nommer sa découverte, Le Verrier a rapidement proposé le nom Neptune pour cette nouvelle planète, tout en déclarant faussement que cela avait été officiellement approuvé par le Bureau des longitudes^[16]. En octobre, il a cherché à nommer la planète Le Verrier, en son nom, ayant le soutien fidèle du directeur de l'observatoire, François Arago. Cette suggestion a rencontré une vive résistance hors de France^[17].

Wilhelm Struve s'est prononcé en faveur du nom de Neptune, le 29 décembre 1846, à l'Académie des sciences de Saint-Pétersbourg^[18]. Peu de temps après, Neptune est devenu le nom internationalement accepté. Dans la mythologie romaine, Neptune était le dieu de la mer. La demande pour un nom mythologique semblait être en harmonie avec la nomenclature des autres planètes, qui toutes, à l'exception de la Terre, ont été nommées d'un nom de la mythologie grecque et romaine^[19].

La plupart des langues d'aujourd'hui, même dans les pays qui n'ont pas de lien direct avec la culture gréco-romaine, utilisent une variante du nom « Neptune » pour la planète. En chinois, japonais et coréen, le nom de la planète a été traduit littéralement comme « étoile du roi de la mer » (海王星), puisque Neptune était le dieu de la mer. En grec moderne, cependant, la planète retient son ancien nom de Poséidon (Ποσειδώνας: Poseidonas), l'homologue grec de Neptune^[20].

Après la découverte

Neptune est la seule des huit planètes connues à avoir été découverte par le calcul mathématique plutôt que par l'observation empirique. Contrairement aux sept autres planètes, Neptune n'est jamais visible à l'œil nu : sa magnitude apparente de 8,0 en fait un astre environ quatre fois moins brillant que les plus pâles étoiles visibles à l'œil nu, dont la magnitude apparente ne dépasse pas 6,5. Elle n'apparaît comme un disque bleu-vert qu'à travers un télescope.

Durant le XIX^e siècle et le début du XX^e siècle, les astronomes pensaient que Neptune était, avec Uranus, une planète tellurique. En 1909, les scientifiques crurent avoir observé, dans le spectre de Neptune, la bande verte caractéristique d'une présence de la chlorophylle, et l’hypothèse de la vie végétale sur cette planète fut émise. On s’aperçut quelques années plus tard que cette bande provenait de l'emploi de plaques orthochromatiques et n'avait pas d'origine planétaire^[21].

À la fin du XIX^e siècle, il a été suggéré que les irrégularités observées dans le mouvement d'Uranus et de Neptune découlent de la présence d'une autre planète ultra-périphérique. Après des recherches approfondies, Pluton a été découvert le 18 février 1930 au point de coordonnées fournis par les calculs de William Henry Pickering et Percival Lowell pour la Planète X. Cependant, la nouvelle planète était trop loin pour générer les irrégularités observées dans le mouvement d'Uranus, tandis que celles observées sur Neptune découlaient d'une erreur dans l'estimation de la masse de la planète (qui a été identifiée avec la Mission de Voyager 2) et qui était responsable, entre autres, des irrégularités^[22]. La découverte de Pluton est donc plutôt fortuite. En raison de sa grande distance, la connaissance de Neptune était restée faible au moins jusqu'en 1949, quand Gerard Kuiper découvrit sa deuxième lune Néréide. Dans les années 1970 et 1980, on a accumulé des indices sur la présence probable d'anneaux ou au moins de fragments autour de Neptune. En 1981, Harold Reitsema a révélé son troisième satellite Larissa^[23].

Survol par Voyager 2

Voyager 2 est la première sonde spatiale, et à ce jour la seule, à avoir survolé la planète géante de glaces Neptune (environ 50 000 km de diamètre). La trajectoire à travers le système planétaire de Neptune est mise au point une fois le survol d’Uranus et de ses lunes achevé. Comme il doit s’agir du dernier passage de Voyager 2 près d’une planète, il n’existe pas de contraintes sur la manière de sortir du système planétaire et plusieurs choix sont possibles : l’équipe sur Terre opte pour un passage à faible distance du pôle nord de Neptune ce qui permettra d’utiliser l’assistance gravitationnelle de la planète pour faire plonger la sonde sous l’écliptique pour un survol rapproché de Triton, la principale lune de Neptune. L’éloignement de Neptune diminue encore le débit théorique permis par la liaison radio. Aussi, plusieurs mesures sont prises dans les années qui précèdent le survol pour renforcer le réseau d’antennes à Terre, notamment l’accroissement de la taille des antennes de réception existantes, la mise en service d’une nouvelle antenne à Usuda au Japon et le recours au Very Large Array au Nouveau-Mexique^[24].

Les premières observations sont effectuées à partir de mars 1989, soit 90 jours avant le passage au plus près de Neptune et près de 3 ans après le survol d’Uranus. Elles permettent de découvrir les anneaux de Neptune, dont l’existence n’avait jusque là jamais été prouvée : ils sont composés de particules très fines qui ne permettent pas leur observation depuis la Terre. Un champ magnétique nettement plus faible que celui d’Uranus est détecté et mesuré. Au cours de la traversée du système neptunien, 9 nouvelles lunes, de petite taille, sont découvertes (une dixième sera découverte plus tard sur des photos prises par la sonde). Compte tenu de l’éloignement de Voyager 2, il fut difficile d’envoyer à temps de nouvelles instructions pour l’observation de ces nouveaux corps célestes. Seule Protée (400 km de diamètre) fut découverte suffisamment tôt pour programmer des observations détaillées^[24].

Le survol de Neptune a lieu le 25 août 1989 : Voyager 2 passe à 29 240 km de la planète. L’atmosphère de Neptune est analysée. Malgré le peu d’énergie reçue du Soleil du fait de son éloignement (3 % de ce que reçoit Jupiter), une dynamique atmosphérique est observée avec des manifestations comme la « Grande Tache Sombre » et des nuages. Des vents soufflant à 2 000 km/h sont mesurés. L’étude du champ magnétique permet de déterminer que la durée d’une rotation est de 16,11 heures^[24].

Voyager 2 passe à 39 790 km de Triton et peut recueillir des données très précises sur cette lune. La communauté scientifique estimait à l’époque que son diamètre était compris entre 3 800 et 5 000 km ; la sonde permet de ramener ce chiffre à 2 760 km. Très peu de cratères sont observés, ce qui est expliqué par le volcanisme dont des manifestations sous forme de traces laissées par des geysers sont observées au pôle. Une atmosphère ténue (pression de 10 à 14 millibars soit 1/70000 de celle de la Terre), résultant sans doute de cette activité, est détectée par Voyager 2. La température de la surface mesurée, 38 kelvins, est la plus froide jamais détectée sur un corps céleste du Système solaire^[24].

Après Voyager

Trois images furent prises le 10 octobre, le 18 octobre et le 2 novembre 1994, lorsque Neptune était à 4.5 milliards de kilomètres de la Terre par le télescope spatial Hubble. S'appuyant sur les découvertes initiales de Voyager, Hubble a révélé que Neptune a une atmosphère remarquablement dynamique qui change en quelques jours. Durant cette prise, la grande tache sombre avait complètement disparu, indiquant aux astronomes qu'elle avait pu être recouverte ou qu'elle avait disparu. La persistance des nuages l'accompagnant prouve que certaines taches anciennes peuvent subsister sous la forme de cyclones^[25]. Toutefois, une tache presque identique est apparue dans l’hémisphère nord de Neptune. Cette nouvelle tache, appelée la Grande tache sombre du Nord (NGDS), est restée visible pendant plusieurs années^[26].

Halimède^[27], Sao^[27], Laomédie^[27] et Néso^[28] (S/2002 N 1 à 4) furent, comme leur désignation temporaire l'indique, découverts lors du même programme d'observation en 2002. Psamathée (S/2003 N 1), le dernier satellite découvert, le fut en 2003^[29].

Avec une période orbitale de presque 165 ans, Neptune est retournée le 12 juillet 2011 au point où Galle l'avait observée^[30].

Statut

Depuis sa découverte en 1846 jusqu'à la découverte de Pluton en 1930, Neptune était la planète la plus éloignée connue. Avec la découverte de Pluton, Neptune est devenu l'avant-dernière planète, sauf pour une période de 20 ans entre 1979 et 1999, lorsque l'orbite elliptique de Pluton était plus proche du Soleil que Neptune^[31].

La découverte de la ceinture de Kuiper en 1992 a entraîné de nombreux astronomes à débattre de la question de Pluton. Il s'agissait de savoir si Pluton devait être considérée comme une planète à part entière ou comme un objet, notable, de la ceinture de Kuiper. En 2006, l'Union astronomique internationale a défini le mot « planète » pour la première fois. Le reclassement de Pluton comme « planète naine » a fait de Neptune encore une fois la dernière planète du système solaire^[32].

Caractéristiques physiques

Masse et diamètre

Avec une masse de 1,0243×10²⁶ kg^[33], Neptune est un corps intermédiaire entre la Terre et les géantes gazeuses de grande taille comme Jupiter ou Saturne. Sa masse est 17 fois plus importante que celle de la Terre, mais elle correspond à un 19^e de celle de Jupiter. Le rayon équatorial de la planète est de 24 764 km et est environ quatre fois plus grand que celui de la Terre^[34]. Neptune a la particularité d'être plus petite qu'Uranus (49 528 km pour Neptune contre 51 118 km pour Uranus) mais elle est plus massive que cette dernière (Uranus possède une masse de 86,810×10²⁴ kg)^[35].

Neptune et Uranus sont souvent considérées comme une sous-classe de géantes, appelées « géantes de glaces », en raison de leur taille plus petite et de la plus forte concentration de substances volatiles par rapport à Jupiter et Saturne^[36]. Dans la recherche de planètes extrasolaires, Neptune a été utilisée comme un terme de comparaison : les planètes découvertes avec une masse similaire ont en effet été qualifiées de Neptune chaud.

Champ magnétique

Neptune ressemble aussi à Uranus au niveau de sa magnétosphère, avec un champ magnétique fortement incliné par rapport à son axe de rotation à 47° et le décalage d'au moins 0,55 rayons, soit environ 13 500 km du centre physique de la planète. Avant l'arrivée de la sonde Voyager 2 à proximité de Neptune, il a été émis l'hypothèse que la magnétosphère inclinée d'Uranus était le résultat de sa rotation inclinée. En comparant les champs magnétiques des deux planètes, les scientifiques pensent maintenant que leur orientation extrême peut être caractéristique des flux venant de l'intérieur des planètes^[37].

L'onde de choc de Neptune, où la magnétosphère commence à ralentir le vent solaire, se produit à une distance de 34,9 fois le rayon de la planète. La magnétopause, où la pression de la magnétosphère contrebalance le vent solaire, se trouve à une distance de 23-26,5 fois le rayon de Neptune. La queue de la magnétosphère s'étend à au moins 72 fois le rayon de Neptune, et très probablement beaucoup plus loin.

Comparant les données du champ magnétique avec celles d'Uranus, les scientifiques pensent que son inclinaison extrême est causée par les flux circulant dans les profondeurs de l'atmosphère et ne résulte pas de son décalage physique ou d'une inversion de polarité. Ce champ magnétique présente une période de rotation de 16 heures, proche de celle de l’atmosphère. Une ionosphère constituée de plusieurs couches a également été découverte entre 1 000 et 4 000 km au-dessus du niveau 1 bar^[38].

Des aurores ont été découvertes sur la planète^[39].

Orbite et rotation

La distance moyenne entre Neptune et le Soleil est de 4,50 milliards de kilomètres (environ 30,1 ua), et il effectue une orbite complète en moyenne tous les 164,79 ans, objet d'une variabilité de l'ordre de ± 0,1 ans.

L'orbite elliptique de Neptune est incliné de 1,77° par rapport à la Terre. Du fait d'une excentricité de 0,011, la distance entre Neptune et le Soleil varie de 101 millions de kilomètres entre périhélie et aphélie. L'inclinaison axiale de Neptune est 28,32°, ce qui est relativement similaire à celle de la Terre (23°) ou celle de Mars (25°). En conséquence, cette planète subit les mêmes changements saisonniers. La longue période orbitale de Neptune signifie que les différentes saisons durent chacune quarante ans en années terrestres. Sa période de rotation sidérale (jour) est d'environ 16,11 heures^[40].

Comme Neptune n'est pas un corps solide, son atmosphère subit une rotation différentielle. La large zone équatoriale tourne avec une période d'environ 18 heures, ce qui est plus lent que la rotation de 16,1 heures du champ magnétique de la planète. En revanche, l'inverse est vrai pour les régions polaires où la période de rotation est de 12 heures. Cette rotation différentielle est la plus marquée de toutes les planètes dans le système solaire, et il en résulte un fort cisaillement du vent en latitude^[41].

Composition de Neptune

Composition interne

La composition interne de Neptune serait similaire à celle d'Uranus. Elle possède très probablement un noyau solide de silicates et de fer d'à peu près la masse de la Terre. Au-dessus de ce noyau, là encore à l'instar d'Uranus, Neptune présenterait une composition assez uniforme (roches en fusion, glaces, 15 % d'hydrogène et un peu d'hélium) et non pas une structure « en couches » comme Jupiter et Saturne^[42].

Cependant, plusieurs modèles actuels de la structure d'Uranus et Neptune proposent l'existence de 3 couches : un cœur de type tellurique, une couche moyenne, allant de glacée à fluide, formée d'eau, méthane et ammoniac, et une atmosphère hydrogène-hélium dans les proportions solaires.

La pression maximum de la couche médiane est estimée à 600 GPa (6 millions d'atmosphères) et sa température maximum à 7000 K, si bien que les études théoriques et les expériences réalisées par compression laser sur ses molécules ont conduit en 1981 Marvin Ross^[43] (University of California, Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, California 94550, USA) à poser qu'elle soit totalement ionisée et que le méthane y soit pyrolysé en carbone sous forme de métal ou de diamant. Le méthane se décompose en carbone et en hydrocarbures. La précipitation du carbone libère de la chaleur (énergie potentielle gravitationnelle convertie en chaleur) qui entraîne des courants de convection qui libèrent les hydrocarbures dans l'atmosphère. Ce modèle expliquerait la présence d'hydrocarbures divers dans l'atmosphère de cette planète. Sous l'action de la pression, le carbone adopte un état plus stable, le diamant solide qui flotte sur un océan de carbone métallique liquide^[44].

Atmosphère

L'atmosphère de Neptune, épaisse de plus de 8 000 km, est composée à haute altitude de 84 % d'hydrogène et de 12 % d'hélium^[45] avec de l'ordre de 1,5 % de méthane CH₄. Des traces d'ammoniac (NH₃), d'éthane (C₂H₆) et d'acétylène (C₂H₂) ont également été détectées.

La couleur bleue de Neptune provient principalement du méthane qui absorbe la lumière dans les longueurs d'onde du rouge. Cependant, la couleur azur de l'atmosphère de Neptune ne peut être expliquée par le seul méthane — qui donnerait une couleur plus proche de l'aigue-marine d'Uranus — et d'autres espèces chimiques, pour l'heure non identifiées, sont certainement à l'origine de cette teinte particulière^[46].

Cette atmosphère présente des formations météorologiques bien visibles, contrairement à celle, uniforme, d'Uranus, avec notamment une Grande tache sombre observée en été 1989 par Voyager 2 dont la nature semble similaire à celle de la Grande tache rouge de Jupiter — à la différence près que celle de Neptune a disparu depuis — et des vents dont la vitesse a été estimée à 2 100 km/h — de loin les vents les plus rapides du Système solaire. La température mesurée dans les couches supérieures de l'atmosphère est de l'ordre de 55 K (-218 °C), moyenne la plus basse mesurée sur une planète du Système solaire, après Uranus^[47].

Neptune, comme les autres géantes gazeuses, possède un système éolien composé par des vents rapides confinés dans des bandes parallèles à l'équateur et d'immenses orages et vortex. Les vents de Neptune sont les plus rapides du Système solaire et peuvent dépasser 580 m/s (environ 2 100 km/h)^[48].

Grande tache sombre

Lors du passage de Voyager 2 en 1989, la marque la plus distinctive de la planète était la « Grande tache sombre » (GTS) qui présentait à peu près la moitié de la taille de la « Grande tache rouge » de Jupiter. Les vents y soufflaient vers l'ouest à 300 m/s (1 080 km/h) ou encore, jusqu'à 2 500 km/h. Cette tache était un gigantesque ouragan sombre qui pouvait se déplacer à plus de 1 000 km/h^[49].

La grande tache sombre génère de gros nuages blancs juste en dessous de la tropopause^[50] (limite supérieure de la troposphère et la limite inférieure de la stratosphère). Contrairement aux nuages de l'atmosphère terrestre, qui sont composés de cristaux de glace, ceux de Neptune sont constitués de cristaux de méthane. Et tandis que les cirrus de la Terre se forment et se dispersent ensuite en quelques heures, ceux de la GTS sont encore présents après 36 heures (soit deux rotations de la planète). La GTS se forme dans la troposphère à basse altitude^[51].

En novembre 1994, le télescope spatial Hubble a détecté qu’elle avait complètement disparu, indiquant aux astronomes qu'elle avait été recouverte ou qu'elle avait disparu. La persistance des nuages l'accompagnant prouve que certaines taches anciennes peuvent subsister sous la forme de cyclones. Les taches brunes peuvent se dissiper quand elles migrent trop près de l'équateur ou, éventuellement, par un phénomène inconnu^[25]. Toutefois, une tache presque identique est apparue dans l’hémisphère nord de Neptune. Cette nouvelle tache, appelée la Grande tache sombre du Nord (NGDS), est restée visible pendant plusieurs années^[26].

Climat

Une des différences entre Neptune et Uranus est l'activité météorologique. Quand la sonde Voyager 2 passa devant Uranus en 1986, la planète semblait calme. Au contraire, Neptune présentait des phénomènes météorologiques durant son survol en 1989.

Le temps sur Neptune est caractérisé par un système nuageux dynamique, avec des vents atteignant les 600 m/s—soit presque deux fois la vitesse du son^[53]. La vitesse des vents varie de 20 m/s lorsqu'ils vont vers l'est à 325 m/s lorsqu'ils vont vers l'ouest^[54]. Au sommet des nuages, les vents vont de 400 m/s à l'équateur à 250 m/s aux pôles. La plupart des vents sur Neptune se déplacent dans la direction opposée au sens de rotation de la planète^[55]. Le modèle général des vents a montré une rotation prograde à hautes latitudes contre une rotation rétrograde aux latitudes inférieures. La différence de la direction des vents ne semble pas être due à un processus de la basse atmosphère. À 70° S de latitude, un courant-jet possède une vitesse de 300 m/s.

L'abondance de méthane, d'éthane et d'acétylène à l'équateur de Neptune est 10 à 100 fois plus grande qu'aux pôles. Ceci met en évidence des vents ascendants à l'équateur et descendants aux pôles^[56].

En 2007, il a été découvert que la haute troposphère du pôle sud de Neptune était environ 10 °C plus chaude que le reste de Neptune, où la température est en moyenne de −200 °C (70 K)^[57]. La différence de chaleur est suffisante pour permettre au méthane d'exister sous la forme d'un gaz, alors que dans toute la région supérieure de l'atmosphère de Neptune il est gelé, qui du pôle sud s'échappe dans l'espace. Ce "point chaud" de Neptune est dû à son obliquité, qui a exposé le pôle sud au soleil pendant le dernier quart de l'année neptunienne, soit environ 40 années terrestres. Comme Neptune se déplace doucement de l'autre côté du soleil le pôle sud sera assombri et le pôle nord illuminé, entrainant le déplacement du phénomène observé au pôle sud vers le pôle nord^[58].

À cause des changements saisonniers, les bandes nuageuses de l'hémisphère sud semblent avoir augmenté en taille et en albédo. Cette tendance a été remarquée dès 1980 et devrait durer jusqu'en 2020. La longue période orbitale de Neptune faisant qu'une saison dure 40 ans^[59].

Cortège de Neptune

Anneaux planétaires

Neptune possède des anneaux planétaires peu visibles. Ceux-ci sont sombres et leur composition, ainsi que leur origine, sont inconnues.

Les anneaux de Neptune furent détectés sur Terre au Chili, en 1984 grâce à des observations conduites d'une part à l'ESO par Patrice Bouchet, Jean Manfroid, et Reinhold Haefner pour André Brahic, Bruno Sicardy, et Françoise Roques de l'Observatoire de Meudon, et d'autre part par William Hubbard à partir d'observations conduites par Faith Vilas à l'Observatoire Inter-américain de Cerro Tololo (AURA, Inc.), lors d'occultations d'étoiles ; on pensait alors que ceux-ci n'étaient pas « complets » mais n'étaient que des « arcs » autour de la planète. Cinq ans plus tard, le passage de Voyager 2 a permis de clarifier les connaissances : les anneaux de Neptune sont bien « entiers », il en existe plusieurs et l'un d'entre eux, l'anneau Adams, possède quatre « arcs » (nommés Liberté, Égalité, Fraternité et Courage), qui sont en fait des parties plus brillantes que le reste de l'anneau. La stabilité de ces arcs est un mystère, mais on pense que la lune Galatée, située juste un peu plus près de Neptune, les confine^[60].

Neptune possède cinq anneaux distincts nommés (par ordre croissant de distance par rapport à la planète) Galle, Le Verrier, Lassell, Arago et Adams. Trois d'entre eux sont étroits, avec des largeurs d'environ 100 km maximum ; Galle et Lassell, en revanche, sont très larges – entre 2 000 et 5 000 km. L'anneau Adams se compose de cinq arcs clairs, pris au sein d'un anneau continu plus faible. En suivant le sens antihoraire, les arcs sont nommés : Fraternité, Égalité (1 et 2), Liberté, et Courage. Les trois premiers noms viennent de la devise française. Cette terminologie fut proposée par ceux qui en firent la découverte lors d'occultations stellaires en 1984 et 1985. Quatre petites lunes ont des orbites à l'intérieur du système d'anneaux : Naïade et Thalassa ont leurs orbites dans l'intervalle entre les anneaux de Galle et Le Verrier. Despina est juste à l'intérieur de l'anneau Le Verrier et Galatée est vers l'intérieur de l'anneau Adams^[61] .

Anneaux de Neptune

Nom	Distance (km)	Largeur (km)
Galle	41 900	15
Le Verrier	53 200	15
Lassell	53 200	5 800
Arago	57 000	?
Adams	62 930	< 50

Les anneaux de Neptune contiennent une grande quantité de poussières dont la taille est de l'ordre du micromètre : la fraction de poussière selon la tranche considérée varie de 20 % à 70 %. À cet égard, ils sont semblables aux anneaux de Jupiter, dont la part de poussière est de 50 % à 100 %, et sont très différents des anneaux de Saturne et Uranus, qui contiennent peu de poussière (moins de 0,1 %). Les particules dans les anneaux de Neptune sont faites d'un matériau sombre, probablement un mélange de glace et de composés organiques transformés par le rayonnement. Les anneaux sont généralement rougeâtres ; leur albédo géométrique (0,05) et leur albédo de Bond (0,01 à 0,02) sont semblables à ceux des particules des anneaux d'Uranus ainsi qu'à ceux des lunes intérieures de Neptune ; visuellement, ils sont fins (transparents), leur épaisseur optique ne dépasse pas 0,1. Considérés dans leur ensemble, les anneaux de Neptune ressemblent à ceux de Jupiter, les deux systèmes se composent d'annelets de poussières ténus et étroits, et de larges anneaux de poussières encore plus ténus.

Les anneaux de Neptune, comme ceux d'Uranus, sont considérés comme relativement jeunes ; leur âge est sans doute nettement inférieur à celui du système solaire. D'autre part, comme pour Uranus, les anneaux de Neptune se sont probablement formés suite à la fragmentation d'anciennes lunes intérieures lors de collisions. Il résulte de ces collisions la formation de ceintures de petites lunes, qui sont autant de sources de poussière pour les anneaux. À cet égard, les anneaux de Neptune sont semblables aux bandes de poussières ténues que Voyager 2 put observer entre les anneaux principaux d'Uranus^[62].

Satellites de Neptune

Neptune possède au moins 14 satellites naturels dont le plus important est Triton, découvert par William Lassell 17 jours seulement après la découverte de Neptune, le 10 octobre 1846^[63]. Le second à être découvert, Néréide ne le fut qu'en 1949^[64], soit plus d'un siècle après Triton.

Avant l'arrivée de la sonde Voyager 2 dans le système de la planète, seule Larissa fut découvert (en 1981), à la faveur d'une occultation d'étoile^[65] ; cette (3^e) lune ne put cependant être observée à nouveau avant le survol de Neptune par la sonde spatiale^[66]. L'analyse des photographies transmises par Voyager 2 en 1989 permit de découvrir 5 nouveaux satellites : Naïade^[67], Thalassa^[67], Despina^[66], Galatée^[66] et Protée^[68].

Découverts en 2002 par une équipe dirigée par Matthew Holman du "Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics" et JJ Kavelaars du "National Research Council of Canada", S/2002 N1, S/2002 N2 et S/2002 N3 portent le nombre de satellites connus de Neptune à 11. Leur découverte est un exploit du fait de la taille très petite des corps ainsi que leur distance de la Terre. En effet ces corps ne font pas plus de 40 km de large et possèdent une magnitude de 25. Puis l'équipe de Matthew J. Holman découvrit S/2002 N4 qui est la lune la plus éloignée de sa planète de tout le système solaire. En 2003, l'équipe de David C. Jewitt. découvrit Psamathée (S/2003 N1) qui porte le nombre de satellites à treize. Les satellites découverts en 2002 et 2003 ont été baptisés le 3 février 2007 : Psamathée, Halimède, Sao, Laomédie et Néso^[69]. Le 1^er juillet 2013, un quatorzième satellite, nommé S/2004 N1 a été découvert par Mark Showalter, de l’institut SETI à Mountain View en Californie. Les scientifiques estiment qu’elle met 23 heures pour faire le tour de sa planète. Les astronomes l’ont repérée en suivant un point blanc qui apparaissait de façon régulière dans plus de 150 photos prises avec le télescope Hubble entre 2004 et 2009 ^[70].

Triton est le plus gros des quatorze satellites naturels de la planète Neptune, et le 8^e par distance croissante à cette dernière. Il a un diamètre d'un peu plus de 2 700 km, ce qui en fait le 7^e satellite naturel du Système solaire par taille décroissante — et un astre plus gros que Pluton. C'est le seul gros satellite connu du Système solaire orbitant dans le sens rétrograde, c'est-à-dire inverse au sens de rotation de sa planète ; tous les autres satellites dans ce cas sont de petits corps irréguliers de quelques centaines de kilomètres dans leur plus grande longueur. Cette caractéristique orbitale exclut que Triton ait pu se former initialement autour de Neptune, et sa composition similaire à celle de Pluton suggère qu'il s'agisse en réalité d'un objet issu de la ceinture de Kuiper capturé par Neptune^[71]. Triton orbite autour de Neptune en 5 jours et 21 heures sur une trajectoire quasiment circulaire ayant un demi grand-axe de 354 759 km^[72], une inclinaison de 156,865° (-23,135°) sur le plan de Laplace^[72] du système, et jusqu'à 129,6° (-50,4°) sur le plan orbital de sa planète^[73]. Ceci lui confère des saisons très marquées tout au long de l'année neptunienne, longue de 164,79 années terrestres ; l'hémisphère sud a ainsi passé son solstice d'été en 2000^[74].

Autre entourage de Neptune

Désignation	Point de Lagrange	Périhélie (UA)	Aphélie (UA)
2001 QR322	L4	29,428	31,349
2004 UP10	L4	29,351	31,259
2005 TN53	L4	28,253	32,284
2005 TO74	L4	28,733	31,824
2006 RJ103	L4	29,345	31,005
2007 VL305	L4	28,131	32,171
2008 LC18	L5	27,546	32,468
2004 KV18	L5	24,566	35,657

Comme Jupiter et Mars, Neptune possède des astéroïdes troyens, partageant son orbite autour du Soleil.

Neuf ont été confirmés à ce jour^[75] (avril 2014). 2001 QR₃₂₂ fut observé pour la première fois en août 2001 par l'équipe de Marc W. Buie sur le télescope Blanco de 4 m de l'observatoire du Cerro Tololo. Sa position relative oscille autour du point L₄ et le long de l'orbite neptunienne avec une période d'environ 10 000 ans. Son orbite est très stable, il se situe dans une région qui garantit qu'il co-orbitera encore avec Neptune pendant des milliards d'années^[76]. 2005 TN₅₃ est un troyen de Neptune découvert par Scott S. Sheppard et Chadwick Trujillo en 2005. Il a la même période orbitale que Neptune et orbite au point de Lagrange L4 de Neptune avec cependant, une inclinaison de 25 degrés. 2008 LC₁₈ est le premier troyen découvert qui se situe au point L5 de Neptune.

Des études ont montré qu'il serait possible à un quasi-satellite théorique d'Uranus ou de Neptune de le rester pour la durée de vie du Système solaire moyennant certaines conditions d'excentricité et d'inclinaison^[77]. De tels objets n'ont cependant pas encore été découverts.

Observation

Depuis la Terre

Neptune n'est jamais visible à l'œil nu, ayant une luminosité entre les magnitudes +7,7 et +8,0^[78] , or il n'est pas possible d'observer à l'œil nu des objets astronomiques dont la magnitude apparente est supérieure à +6^[79]. Elle a été éclipsée par les lunes galiléennes de Jupiter, la planète naine Cérès et les astéroïdes Vesta, Pallas, Iris, Junon et Hébé^[80]. Un télescope ou des jumelles fortes permettent de voir Neptune comme un petit disque bleu, semblable en apparence à Uranus^[81].

En raison de la distance entre Neptune et la Terre, le diamètre angulaire de la planète varie seulement de 2,2 à 2,4 secondes d’arc^[82], la plus petite variation des planètes du système solaire. Sa petite taille apparente fait qu'il est difficile de l'étudier visuellement. L'observation télescopique a été assez limitée jusqu'à l'avènement du télescope spatial Hubble et des grands télescopes basés au sol avec optique adaptative^[83].

Exploration

Le plus proche passage à proximité de la planète fut effectuée par Voyager 2, le 25 août 1989. Comme c'était la dernière planète majeure que la sonde pouvait visiter, il a été décidé de faire un survol rapproché de la lune Triton, quelles que soient les conséquences pour la trajectoire, similaire à ce qui a été fait pour la rencontre de Voyager 1 avec Saturne et son satellite Titan.

La sonde a vérifié l'existence d'un champ magnétique qui entoure la planète et a découvert que le champ était décalé du centre et incliné d'une manière similaire à celui d'Uranus. La question de la période de rotation de la planète a été réglée à l'aide des mesures des émissions de radio. Voyager 2 a aussi montré que Neptune avait un climat étonnamment actif. Six nouvelles lunes ont été découvertes, et il a été démontré que la planète possédait plus d'un anneau^[84].

En 2003, une proposition est faite à la « Vision Missions Studies » de la NASA pour mettre en œuvre un Orbiter avec des sondes sur Neptune semblable à celui de Cassini-Huygens pour Saturne. Le travail est effectué en collaboration avec le « Jet Propulsion Laboratory » et le « California Institute of Technology »^[85].

Formation et migration

La formation des géantes glacées, Neptune et Uranus, s'est avérée difficile à modéliser avec précision. Les modèles actuels suggèrent que la densité de matière dans les régions extérieures du système solaire était trop faible pour permettre la formation de ces grands corps avec la méthode traditionnellement acceptée d'accrétion de base, et différentes hypothèses ont été avancées pour expliquer leur création. La première est que les géantes de glace n'ont pas été créées par accrétion de base, mais des instabilités dans le disque protoplanétaire originaire ont fait sauter plus tard leurs atmosphères loin par la radiation d'une étoile massive proche de type OB^[86].

Un autre concept est qu'elles se sont formées plus près du Soleil, où la densité de matière est plus élevée, et ont ensuite migré vers leurs orbites actuelles, après le retrait du disque protoplanétaire gazeux^[87] . Cette hypothèse de la migration après la formation est actuellement favorisée, en raison de sa capacité à mieux expliquer l'occupation des populations de petits objets observés dans la région trans-neptunienne. Le courant le plus largement accepté des explications sur les détails de cette hypothèse est connu sous le nom modèle de Nice, qui explore l'effet d'une migration de Neptune et des autres planètes géantes sur la structure de la ceinture de Kuiper^[88].

Culture populaire

En astrologie, Neptune () est la planète associée au signe des Poissons^[89].

L'élément chimique Neptunium fut découvert par Edwin McMillan et Philip Abelson en 1940. La découverte a été faite au Berkeley Radiation Laboratory de l'Université de Californie, à Berkeley, où l'équipe produisit l'isotope 239 du neptunium, d'une demi-vie de 2,4 jours, en bombardant de l'uranium (faisant référence à Uranus) 238 avec des neutrons. C'est l'étape intermédiaire menant à la production du plutonium 239 (faisant référence à Pluton)^[90].

« Neptune, le mystique » est le 7^e et dernier mouvement de l'œuvre pour grand orchestre Les Planètes, composée et écrite par Gustav Holst entre 1914 et 1916.

Après l'Opération Uranus, l'Opération Neptune est le nom de code donné au débarquement en Normandie des troupes alliées en juin 1944 lors de la Seconde Guerre mondiale. Il précède la bataille de Normandie.

Notes et références

Voir aussi

Articles connexes

• Anneaux de Neptune
• Atmosphère de Neptune
• Satellites naturels de Neptune
• Objets en résonance avec Neptune

Liens externes

• (fr) Caractéristiques de Neptune sur le site de l'IMCCE
• (fr) La découverte de Neptune par Le Verrier (1846), texte en ligne et analysé sur le site BibNum.
• (en) Neptune's Discovery

Bibliographie

• Neptune: The Planet, Rings, and Satellites, Ellis D. Miner et Randii R. Wessen, 2002. ISBN 1-85233-216-6
• Neptune and Triton, Dale P. Cruikshank, 1995. ISBN 0-8165-1525-5
• The case of the pilfered planet - Did the British steal Neptune?, William Sheehan, Nicolas Kollerstrom and Craig B. Waff, Scientific American December 2004.
• Neptune, la plus petite des géantes, Isaac Asimov, 1990.
• Uranus, Neptune, Pluto, and the Outer Solar System de Linda T. Elkins-Tanton, 2010.

• Portail de l’astronomie