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L ’ O b s e r v a t o i r e
d e
P a r i s
p r é s e n t e
Le Verrier découvre Neptune en 1846
En 1781, la septième planète du Système solaire, Uranus,
est découverte par William Herschel. Le Bureau des longitudes charge en 1821 Alexis Bouvard d’en établir une éphéméride, mais il rencontre de grandes difficultés : même
en tenant compte des perturbations dues à l’attraction de
Jupiter et de Saturne, il est impossible de reproduire correctement le mouvement d’Uranus. Bouvard pense que ce
mouvement est perturbé par une « planète troublante ».
Alexis Bouvard (1767 – 1843). © BOP
Plusieurs astronomes, dont Bessel, s’intéressent au
problème. En 1845, François Arago, le responsable de
l’Observatoire de Paris, qui ne voit personne à l’Observatoire qui serait capable de le résoudre, demande à
Le Verrier, dont la réputation de mécanicien céleste
est déjà bien établie, de s’y attaquer.
François Arago (1786 – 1853). © BOP
Un an après, Le Verrier l’a résolu malgré sa grande difficulté. Il écrit à des collègues à l’étranger pour leur
demander de chercher la nouvelle planète, dont il leur
donne la position : on ne peut pas le faire à Paris, faute
de cartes du ciel suffisantes. Galle la trouve à Berlin, pendant la nuit du 23 au 24 septembre 1846.
Urbain Le Verrier (1811 – 1877). © BOP
C’est le triomphe. Le Verrier aimerait que la nouvelle
planète porte son nom, mais en vain : on l’appellera
Neptune. En Angleterre, Adams a, lui aussi, résolu le
problème. Timide et moins sûr de lui que Le Verrier, il
a du mal à convaincre ses compatriotes de rechercher
la planète troublante : les Anglais arriveront trop tard.
Johann Gottfried Galle (1812 – 1910). (DP)
Le Verrier découvre Neptune en 1846
Sur cette carte du ciel qui a permis la découverte de Neptune, Galle a porté la position prédite
par Le Verrier (Neptun berechnet : Neptune calculée) et la position réelle (Neptun beobachtet :
Neptune observée). La position prédite par Adams est également indiquée. © BOP
Lettre par laquelle Galle a annoncé à Le Verrier son observation de Neptune, annotée par Le Verrier. © BOP
Les précurseurs
Si Arago a pu dire que Le Verrier a découvert Neptune « au bout de sa plume »,
c’est que cela correspondait à des calculs théoriques faits effectivement à la
main. Comment Le Verrier a-t-il procédé pour sa découverte ?
La mécanique céleste a réellement commencé avec Galilée,
pour son principe d’inertie, et avec Newton pour avoir posé
l’attraction gravitationnelle de tout corps massif. Newton a
mis en place, avec Leibniz, le calcul différentiel qui est l’outil
mathématique indispensable pour pouvoir utiliser effectivement les principes posés.
Galilée (1564 – 1642). (DP)
Newton a ainsi démontré les fameuses lois de Kepler qui
n’étaient jusque-là « que » des lois empiriques. Seulement, ces lois ne sont valables que pour le problème dit
« des deux corps », comme le Soleil et Jupiter pris isolément, ou encore, le Soleil et Saturne pris aussi isolément.
Johannes Kepler (1571 – 1630). (DP)
On sent bien que ces systèmes de deux corps juxtaposés
ne constituent qu’une approximation du phénomène réel
puisque la loi de Newton indique que Jupiter et Saturne
(par exemple) s’attirent mutuellement. On parle alors de
« perturbations », car les ellipses de Kepler subissent de
petites variations (figure ci-contre).
Isaac Newton (1643 – 1727). (DP)
Newton, puis d’illustres mécaniciens célestes tels Bouvard
et Laplace ont effectué les calculs de ces perturbations. Les
prédictions des positions des corps célestes ainsi faites
sont devenues, au fil des progrès réalisés, toutes d’une
précision exemplaire. Toutes ? Non, seule Uranus résistait
encore en cette première moitié du xix e siècle.
Pierre-Simon de Laplace (1749 – 1827). (BOP)
Le triomphe de la mécanique céleste Les écarts entre les positions calculées et celles observées étaient suffisamment
grands pour que Le Verrier, sous le conseil d’Arago, les analyse sous l’hypothèse
d’une planète située au-delà d’Uranus (et donc inconnue). Cette planète exerce
une attraction sur Uranus. C’est en calculant cet effet, puis en le comparant aux
écarts observés, que Le Verrier a pu indiquer aux astronomes la zone du ciel
où l’on pourrait trouver l’hypothétique planète, ce qui fut effectivement constaté, consacrant ainsi le
triomphe de la mécanique céleste.
La position d’Uranus et de Neptune est
indiquée pour différentes dates. Comme
Neptune tourne moins vite qu’Uranus
autour du Soleil, on voit que son attraction
a accéléré Uranus avant la conjonction de
1821 et l’a retardé ensuite (l’écart avec
les positions réelles est très exagéré sur le
schéma). Le Verrier a supposé une distance
au Soleil trop grande pour Neptune, mais la
direction était bonne. De son côté, Adams,
jeune astronome anglais, réalisa un travail
similaire mais, sans le soutien de ses chefs,
arriva trop tard. (BOP)
Neptune : la dernière planète ?
Le nombre « officiel » de planètes dans le Système solaire a régulièrement
changé au cours des siècles. Le terme « planète » vient du grec « πλανήτης
αστήρης » qui signifie « astre errant ».
Il s’est d’abord appliqué aux astres mobiles visibles à l’œil nu, c’est-à-dire le Soleil,
la Lune, Mercure, Vénus, Mars, Jupiter et Saturne, soit 7 planètes jusqu’à l’adoption
de l’héliocentrisme au xvii e siècle qui ne proposera plus que 6 planètes : Mercure,
Vénus, la Terre, Mars, Jupiter et Saturne.
La découverte d’Uranus par Herschel le 13 mars 1781 mènera à 7 planètes. La
huitième planète ne sera pas Neptune mais Cérès, découverte par Piazzi en 1801.
Listes des planètes dans la Connaissance des temps : à gauche en 1810 et à droite en 1849. © IMCCE
La découverte de nouveaux astéroïdes suivra et l’on dénombrera jusqu’à 23 planètes avant de s’apercevoir qu’il s’agit de corps très particuliers : on les nommera
« petites planètes » ou « planètes télescopiques ». Neptune, découverte en 1846,
sera la seule rescapée et redeviendra la huitième planète.
Avec Pluton, on refera la même erreur qu’avec Cérès : découverte en 1930, elle
sera la neuvième planète jusqu’en 2006 où l’on envisageait 12 planètes après la
découverte d’autres corps au-delà de Neptune.
L’Union astronomique internationale rétrogradera ces nouveaux corps ainsi
que Pluton au rang d’astéroïdes d’une ceinture extérieure (les TNO ou objets
transneptuniens, c’est-à-dire les objets au-delà de Neptune) et introduira une
nouvelle classe d’objets, les « planètes naines » pour satisfaire tout le monde.
L’histoire s’est donc répétée comme au xix e siècle où Cérès est restée la huitième
planète pendant près de 50 ans. Pluton est restée planète pendant 76 ans, car
les astéroïdes de la ceinture principale entre Mars et Jupiter ont été plus faciles
à observer que les TNO.
Neptune : la dernière planète ?
Nouvelle définition du concept de « planète »
adoptée par l’Union astronomique internationale en 2006 à Prague
Une planète est un corps céleste qui :
• (a) est en orbite autour du Soleil ;
• (b) a une masse suffisante pour que sa gravité l’emporte sur
les forces de cohésion du corps solide et le maintienne
en équilibre hydrostatique, sous une forme presque
sphérique ;
• (c) a éliminé tout corps susceptible de se déplacer sur une
orbite proche.
Les plus grands objets transneptuniens connus, classement décroissant par la taille
et comparaison avec la Terre. © GNU Free Documentation License
Neptune aujourd’hui à l’Observatoire de Paris
Neptune, la « planète bleue », est la plus lointaine du Système solaire. En 2011,
elle vient juste d’accomplir un tour complet autour du Soleil depuis sa découverte en 1846. Elle fait l’objet d’actives recherches à l’Observatoire de Paris,
depuis qu’une équipe française a découvert en 1984 des anneaux interrompus
(ou arcs) autour de la planète.
Les études actuelles concernent surtout l’atmosphère de Neptune, qui est le siège
d’une riche activité nuageuse et de vents très violents. Des observations récentes
avec le satellite Herschel montrent la présence de plusieurs gaz dans cette atmosphère, dont le monoxyde de carbone qui
provient peut-être d’une comète tombée
sur Neptune il y a deux siècles. Des images
de la planète en infrarouge ont montré que
le pôle Sud est moins froid que le reste.
L’émission thermique de Neptune à une longueur
d’onde de 20 μm, observée au Very Large Telescope
de l’Observatoire européen austral. Le pôle Sud est
plus chaud d’environ 10 K que le reste de la planète.
© ESO et Th. Encrenaz
Le spectre de Neptune dans l’infrarouge lointain observé par le satellite Herschel,
comparé à un modèle d’atmosphère incluant différents gaz. © ESA et E. Lellouch
Neptune aujourd’hui à l’Observatoire de Paris
Voyager avait révélé que le gros satellite de Neptune, Triton, était un monde
glacé doté d’une atmosphère ténue. Les études poursuivies à l’Observatoire
ont permis de déterminer la composition des glaces de la surface et celle de
l’atmosphère, dont la faible pression présente des variations saisonnières.
Montage d’images de Triton et Neptune obtenues par la sonde Voyager en 1989.
Au premier plan, la calotte polaire Sud de Triton, couverte de glace d’azote. En sombre, on aperçoit
des traînées de poussière balayée par les vents. À l’arrière, Neptune avec ses bandes
et ses structures nuageuses, dont la grande tache sombre qui a disparu depuis. © NASA
Des anneaux autour de Neptune
Les anneaux de Saturne sont bien connus, mais les observations récentes ont
montré que Jupiter et Uranus possédaient eux aussi des anneaux. Alors, pourquoi
pas Neptune ?
Avant le passage de la sonde Voyager, l’observation d’anneaux autour de Neptune
s’avérait difficile. La méthode des occultations d’étoiles (l’étoile passant derrière
un anneau s’éteint ou s’affaiblit, sans qu’il soit besoin de voir l’anneau lui-même)
appliquée avec succès à Uranus, pouvait-elle s’appliquer à Neptune ? Des observations faites à partir de 1984 montrèrent des morceaux d’anneaux (ou arcs), ce
qui intrigua beaucoup les astronomes.
L’envoi de photographies par la sonde Voyager montra effectivement des anneaux
ténus, et pour certains inhomogènes, formant des arcs de matière stable sur
plusieurs années. Ils se situent entre 40 000 et 50 000 km de Neptune.
Cette vue envoyée par la sonde Voyager montre nettement les deux
anneaux principaux de Neptune (de l’extérieur vers l’intérieur)
dénommés « Adams », « Le Verrier » et « Galle », avec des arcs
plus denses sur l’anneau « Adams ». Entre les anneaux Adams
et Le Verrier, un anneau plus ténu, l’anneau « Lassell ». © NASA
La structure complexe torsadée de l’anneau Adams. © NASA
Les satellites de Neptune
Neptune possède un gros satellite, Triton qui a été découvert par Lassell en
1846 peu de temps après Neptune, car il est très facilement observable dans un
petit télescope. La sonde Voyager
a révélé une activité de type geysers
à sa surface ainsi qu’une atmosphère d’azote très ténue.
Une image de Neptune et Triton vus au
télescope de 1,20 m de l’observatoire de
Haute Provence. Le champ est de 8 minutes
de degré : Triton est brillant et toujours
proche de Neptune. © OHP/J.-E. Arlot
Il fallut attendre 1949 pour qu’un autre satellite soit découvert, par Kuiper :
Néréïde. Alors que Triton (2 700 km de diamètre) met un peu moins de 6 jours
pour une révolution autour de Neptune à une distance de 355 000 km, Néréïde (340 km de diamètre)
met 360 jours pour une révolution à une distance
variant de 1 400 000 à 9 600 000 km de la planète du
fait d’une forte excentricité (0,75).
Néréïde vu par la sonde Voyager
depuis une distance de 4,7 millions de kilomètres. © NASA
Cinq autres petits satellites lointains ont été observés par de grands télescopes ; ils orbitent à
des distances comprises entre 15 et 50 millions
de kilomètres de Neptune. La sonde Voyager a
observé des petits satellites entre les anneaux
(Naïade, Thalassa, Despina et Galatée) et deux
satellites Larissa et Protée entre les anneaux et
Triton.
Protée vu par la sonde Voyager
depuis une distance de 146 000 kilomètres. © NASA
Le retour de Neptune à sa position de 1846
La planète Neptune a été observée pour la première fois par Johann Gottfried
Galle (1812 – 1910) avec l’aide du jeune astronome Henri d’Arrest à l’observatoire
de Berlin avec la lunette de 9 pouces d’ouverture (23 cm) de Fraunhofer.
La position apparente observée est la suivante (Montly Notices of the Royal
Astronomical Society, vol. VII, p. 155) : le 23 septembre 1846 à 12 h 0 min 14,6 s
(temps moyen de Berlin) : 328° 19’ 16”,0 d’ascension droite et –13° 24’ 8”,2 de
déclinaison. L’instant de l’observation, 12 h 0 min 14,6 s en temps moyen de
Berlin, est égal à 23 h 7 min 49,11 s de temps universel.
Calcul de la position astrométrique de Neptune à l’instant de sa découverte
Si l’on calcule la position astrométrique géocentrique de Neptune à cet instant
on trouve 22 h 1 m 30,892 s en ascension droite et –12° 40’ 20”,33 en déclinaison.
Cette dernière position est dans le même repère que les catalogues d’étoiles.
Elle tient compte uniquement du temps que met la lumière pour nous venir de
la planète.
Recherche d’une position identique à celle de la découverte
Retour à une position identique par rapport au Soleil
La planète aura fait un tour complet par rapport au Soleil le 3 juillet 2011
vers 6 h UTC, cette révolution ne tient pas compte de la position de la Terre.
Retour à une position identique par rapport à la Terre
Si l’on cherche une position identique par rapport au fond d’étoiles on doit
chercher quand la position astrométrique de la planète sera la plus proche de
celle de 1846. On aura alors un cliché quasi identique à celui de la découverte.
Au cours des années 2010 et 2011, la planète, vue depuis la Terre, a une trajectoire
qui présente des boucles, elle est directe puis rétrograde plusieurs fois et passe
cinq fois par une ascension droite identique à celle de 1846 (0 sur l’image).
- le 18/04/2010 à 05h 16m UT : déclinaison -12° 33’ 48,3”
soit 7’ plus au nord qu’en 1846 (1 sur l’image).
- le 15/07/2010 à 19h 54m UT : déclinaison -12° 36’ 7,9”
soit 4’ plus au nord qu’en 1846 (2 sur l’image).
- le 12/02/2011 à 07h 46m UT : déclinaison -12° 36’ 40,6”
soit 4’ plus au nord qu’en 1846 (3 sur l’image).
- le 28/10/2011 à 08h 08m UT : déclinaison -12° 41’ 6,1”
soit 1’ plus au sud qu’en 1846 (4 sur l’image).
- le 22/11/2011 à 01h 49m UT : déclinaison -12° 40’ 53,3”
soit 0,5’ plus au sud qu’en 1846 (5 sur l’image).
Le retour de Neptune à sa position de 1846
Photo du ciel de 1846 avec les positions de Neptune lors de son retour en 2011.
Le champ fait environ 50 minutes de degré. © IMCCE
Cette carte montre la trajectoire de la planète, en rouge la position de Neptune en 1846 et en bleu
les cinq positions correspondant à l’ascension droite observée en 1846. Celle du 22 novembre 2011
est la plus proche de la position observée. Celle du 28 octobre 2011 est également très proche. © P. Rocher
Le Verrier, découvreur de Neptune
Dès son arrivée comme directeur de l’Observatoire
en 1854, Le Verrier le réorganise profondément. Les
principes qu’il a établis ont aussi longtemps régi les
autres observatoires français.
Le Verrier améliore l’instrumentation astrométrique : un des cercles méridiens de l’Observatoire,
financé par le mécène Raphaël Bischoffsheim, servira pendant plus d’un siècle. Il fait aussi réaliser
trois lunettes astronomiques.
Cercle Bischoffsheim. Mis en service en 1877, cet instrument a
été utilisé jusqu’en 1961 avec quelques modifications et existe
toujours. © BOP
Léon Foucault construit à l’Observatoire les premiers télescopes à miroir de verre
argenté : un instrument de 20 cm de diamètre et un autre de 40 cm. En 1862, il
termine un télescope de 80 cm. C’est le premier grand télescope moderne, installé
à l’observatoire de Marseille devenu « succursale de l’Observatoire de Paris ».
Le télescope de 20 cm
de diamètre de Foucault,
monture équatoriale d’Eichens
(1868). © BOP
Le télescope de 80 cm de Foucault-Eichens à l’observatoire de Marseille, dans une superbe coupole
cylindrique dessinée par Foucault. La coupole a disparu, mais le télescope est toujours visible. © BOP
Le Verrier, découvreur de Neptune
Le Verrier charge alors Foucault de construire un télescope géant de 1,20 m de
diamètre, mais celui-ci est malade et meurt en 1868. Son successeur n’a pas
son habileté, le miroir est trop mince : ce télescope sera peu utilisé.
À gauche, le télescope de 120 cm de diamètre de l’Observatoire (1875). On en retrouve une partie
de la monture équatoriale à droite, renversée, dans le télescope de 120 cm
de l’observatoire de Haute-Provence. © BOP
Lunettes et télescopes servent à mesurer la position
des petites planètes, des comètes et des nébuleuses.
L’astrophysique naissante est négligée : le seul résultat important est la découverte par Wolf et Rayet
des étoiles à raies d’émission auxquelles on a donné
leur nom.
Le Verrier rêve d’une lunette de 75 cm de diamètre, pour laquelle il a acheté dès 1856 deux disques
de verre. Un mauvais sort s’acharne sur ce projet qui
n’aboutira pas ; quelques éléments se retrouveront
dans la grande lunette de Meudon.
Lunette de 31,6 cm de diamètre installée en 1858
sur la tour ouest de l’Observatoire. Il n’en reste rien. © BOP
Neptune, la huitième planète du Système solaire a été découverte par Le Verrier en
1846. Cette découverte avait alors profondément frappé les esprits. Arago s’était
écrié avec raison « M. Le Verrier vit le nouvel astre au bout de sa plume » ! C’est en
effet par le calcul que Le Verrier, à l’Observatoire de Paris, prédit l’existence d’une
planète située au-delà d’Uranus. Il indiqua alors aux astronomes la zone du ciel
où l’on pourrait trouver l’hypothétique planète, ce qui fut effectivement constaté,
consacrant ainsi le triomphe de la mécanique céleste.
En 2011, Neptune aura parcouru une révolution complète autour du Soleil
depuis sa découverte et nous pouvons l’observer à la place qu’elle occupait
en 1846. 2011 commémore aussi le bicentenaire de la naissance de Le Verrier,
l’astronome le plus célèbre du xix e siècle qui a aussi dirigé l’Observatoire de
Paris pendant 20 ans.
2011 est donc l’année propice pour s’intéresser à Neptune, une planète un
peu oubliée, lointaine et mystérieuse : aucune mission spatiale n’est prévue vers
cette planète dans un avenir proche et seules les magnifiques images envoyées
par la sonde Voyager ont permis de lever un peu le voile sur cette planète discrète.
Caractéristiques de Neptune
© NASA
Diamètre : 50 000 km
Distance au Soleil :
4,5 milliards de kilomètres
Durée de révolution : 165 ans
Atmosphère : 74 % hydrogène, 24 % hélium
Nombre de satellites : 13
Naïade, Thalassa, Despina, Galatée, Larissa, Protée à moins de 100 000 km,
Triton à 355 000 km, Néréïde à 5,5 millions de km,
Halimède, Sao, Laomédée, Neso, Psamathé entre 12 et 85 millions de km
Conception et réalisation : Y. Gominet
Les textes ont été rédigés par J. Lequeux et L. Bobis (p. 2, 3, 14 et 15),
A. Vienne (p. 4 et 5), J.-E. Arlot (p. 6, 7, 10 et 11),
E. Lellouch (p. 8 et 9) et P. Rocher (p. 12 et 13),
sous la coordination de J.-E. Arlot
Les illustrations sont issues
de la bibliothèque de l’Observatoire de Paris (BOP),
des archives de la NASA ainsi que du domaine public (DP).