Les planètes joviennes et Pluton

Les planètes joviennes et Pluton
Nous poursuivons notre visite des planètes du système solaire avec les géantes
gazeuses: Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune. Nous terminons avec Pluton, la
planète la plus éloignée du Soleil.
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Introduction 11
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Objectifs du chapitre 11
Décrire les caractéristiques des planètes joviennes et de Pluton
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Yannick Dupont
V2.0, été 2001
Objectifs du Chapitre 11
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Jupiter
Figure 11.1: Jupiter
Animation 11.1: Révolution d'un satellite de Jupiter
Jupiter est la plus grosse planète du système solaire. Son rayon est
approximativement égal à 11 fois le rayon terrestre, et sa masse est de 318 fois
celle de la Terre. C'est le Soleil, avec une masse 1000 fois plus grande que celle de
Jupiter, qui détermine en premier lieu les orbites des différents objets du système
solaire. Cependant Jupiter joue aussi un rôle important dans le système en
modifiant les orbites des objets (particulièrement celles des comètes et des
astéroïdes) qui passent dans son voisinage.
Jupiter possède un champ magnétique qui occupe un volume (la magnétosphère)
ayant un diamètre de l'ordre de cinq fois le diamètre du Soleil (ou cinquante fois le
diamètre de Jupiter) et qui englobe les principaux satellites de la planète. La période
de rotation du champ magnétique est 9 heures 56 minutes. Cette valeur correspond
à la période de rotation de l'intérieur de la planète, d'où provient le champ
magnétique. Cette rotation rapide cause un aplatissement aux pôles égal à 1/15 du
diamètre de Jupiter.
Jupiter a été visitée par six sondes automatiques. Pioneer 10 et 11 furent les
premières, au début des années soixante dix, à traverser la ceinture d'astéroïdes
située entre Mars et Jupiter et à atteindre la planète géante. Elles ont été suivies
par Voyager 1 et 2 en 1979. Ces sondes ont reçu une poussée gravitationnelle de
Jupiter qui leur a permis d'atteindre Saturne et même Uranus et Neptune dans le
cas de Voyager 2 (récemment, les deux sondes Voyager ont détecté l'héliopause,
c'est-à-dire la frontière entre la magnétosphère solaire et le milieu interstellaire, à
plus de 50 U.A. du Soleil soit environ 8 milliards de kilomètres; Elles sont
maintenant en route pour l'espace interstellaire). Une sonde spatiale plus
sophistiquée, Galileo, est en orbite autour de Jupiter depuis décembre 1995.
Finalement, la sonde Cassini a effectué un survol de Jupiter en décembre 2000 et
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poursuit sa route vers Saturne. Les observations accumulées depuis le passage de
ces robots interplanétaires nous révèlent un tout nouveau visage de la planète
géante et de ses satellites.
Structure interne et atmosphère
Jupiter n'a pas, comme les planètes terrestres, de surface solide. L'enveloppe
externe est constituée d'une atmosphère gazeuse qui devient de plus en plus dense
vers l'intérieur pour se transformer graduellement en liquide (mélange d'hydrogène
et d'hélium). Plus vers l'intérieur, l'hydrogène se transforme subitement en liquide
dit métallique (c'est-à-dire que les électrons se détachent des atomes d'hydrogène
sous l'effet de la pression et se promène librement). Finalement, au centre, Jupiter
posséderait un noyau constitué d'un mélange de roche et de glace (voir la Figure
11.2).
Figure 11.2: La structure interne des planètes joviennes
Comme il n'y a pas de surface solide, on définit conventionnellement le rayon de
Jupiter comme le rayon de la couche de son atmosphère où la pression ambiante
égale la pression atmosphérique terrestre; cette région se situe dans la couche de
nuages de Jupiter. Cette couche a une épaisseur d'environ 100 km. L'atmosphère
devient liquide quelques centaines de kilomètres plus bas.
Alors que la Terre ne possède qu'une seule couche de nuages (constitués de vapeur
d'eau), Jupiter possède, en raison de la température plus basse de son atmosphère,
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trois couches de nuages: une couche inférieure de nuages d'eau (H2O), une couche
intermédiaire de nuages d'hydrosulfure d'ammonium (NH4SH), et une couche
supérieure de nuages d'ammoniaque (NH3).
Par ailleurs, alors que la distribution et le mouvement des nuages dans l'atmosphère
terrestre sont plutôt chaotiques, l' atmosphère de Jupiter présente l'aspect d'une
vingtaine de bandes parallèles à son équateur. Ces bandes de nuages se déplacent
soit vers l'ouest soit vers l'est par rapport à l'intérieur de la planète, à des vitesses
atteignant 200 et 400 km/hre respectivement (la rotation de la planète correspond
à une vitesse de 45,000 km/hre à l'équateur). Les bandes de nuages adjacentes ont
des vitesses alternativement vers l'est et vers l'ouest et on y observe des taches
blanches, brunes ou rougeâtres. Certaines ne subsistent que quelques dizaines
d'heures, mais on a observé quelques taches blanches durant des dizaines d'années.
La grande tache rouge est un immense tourbillon, assez grand pour contenir deux
ou trois fois la Terre, et semble exister depuis au moins trois cents ans.
Les façons différentes dont les atmosphères de la Terre et de Jupiter sont chauffées
semblent expliquer pourquoi la circulation des nuages apparaît si différente.
L'atmosphère terrestre est chauffée principalement par le Soleil, et les régions
équatoriales reçoivent plus de chaleur que les régions polaires; donc il se produit
des déplacements nord-sud des masses d'air chaud et froid. Jupiter cependant émet
dans l'espace 2.5 fois plus d'énergie qu'elle n'en reçoit du Soleil. Ceci est dû au fait
qu'étant une planète très massive elle contient encore en son intérieur une grande
quantité de chaleur accumulée lors de sa formation. Pour cette raison l'atmosphère
de Jupiter est chauffée surtout de l'intérieur et uniformément aux pôles comme à
l'équateur, ce qui explique qu'il n'y a pas de circulation des nuages entre ces
régions.
Les satellites de Jupiter
Jupiter possède 20 satellites connus. Les sondes spatiales Voyager ont aussi
découvert que Jupiter possède un anneau qui est cependant beaucoup plus mince et
étroit que le système d'anneaux de Saturne.
Les satellites situés plus à l'extérieur sont probablement d'anciens astéroïdes qui ont
été capturés par l'attraction gravitationnelle de Jupiter. Par ailleurs, les satellites qui
sont situés plus près de la planète tournent dans le sens de la rotation de la planète
sur des orbites circulaires proches du plan de l'équateur. Ces satellites se sont
probablement formés en même temps que Jupiter et constituent autour de cette
dernière un système solaire miniature.
Parmi ces derniers, les satellites galiléens (Callisto, Ganymède, Europa, Io) sont
les quatre plus gros satellites de Jupiter, ils furent découverts en 1610 par Galilée.
Les satellites galiléens ont des masses comparables à celle de la Lune. Un peu de la
même façon que les planètes qui sont plus près du Soleil sont plus petites, plus
rocheuses et plus denses, on peut observer des différences entre ces quatre
satellites selon leur distance à Jupiter.
Les deux plus éloignés, Callisto et Ganymède, sont plus massifs mais moins denses
que les deux plus proches, Europa et Io (a) (b). Callisto et Ganymède sont
probablement composés à moitié de glace et à moitié de roches. Leur surface est
marquée de cratères blanchâtres où la glace a été exposée par l'impact de
météorites. Europa possède un coeur de roche plus important que Callisto et
Ganymède mais elle est aussi recouverte d'une épaisse couche de glace dans
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