Uranus est la septième planète du Système solaire par ordre d’éloignement au Soleil. Elle orbite autour de celui-ci à une distance d’environ 19,2 unités astronomiques (2,87 milliards de kilomètres), avec une période de révolution de 84,05 années terrestres. Il s’agit de la quatrième planète la plus massive du Système solaire et de la troisième plus grande par la taille.
Elle est la première planète découverte à l’époque moderne avec un télescope et non connue depuis l’Antiquité. Bien qu’elle soit visible à l’œil nu, son caractère planétaire n’est alors pas identifié en raison de son très faible éclat et de son déplacement apparent dans le ciel très lent. William Herschel l’observe pour la première fois le 13 mars 1781 et la confirmation qu’il s’agit d’une planète et non d’une comète est faite pendant les mois qui suivent.
Comme Jupiter et Saturne, l’atmosphère d’Uranus est composée principalement d’hydrogène et d’hélium avec des traces d’hydrocarbures. Cependant, comme Neptune, elle contient une proportion plus élevée de « glaces » au sens physique, c’est-à-dire de substances volatiles telles que l’eau, l’ammoniac et le méthane, tandis que l’intérieur de la planète est principalement composé de glaces et de roches, d’où leur nom de « géantes de glaces ». Par ailleurs, le méthane est le principal responsable de la teinte aigue-marine de la planète. Son atmosphère planétaire est la plus froide du Système solaire, avec une température minimale de 49 K (−224 °C) à la tropopause, et présente une structure nuageuse en couches.
À l’instar des autres planètes géantes, Uranus possède un système d’anneaux et de nombreux satellites naturels : on lui connaît 13 anneaux étroits et 27 lunes. Elle est unique dans le Système solaire dans le sens que son axe de rotation est pratiquement dans son plan de révolution autour du Soleil — donnant l’impression qu’elle « roule » sur son orbite, du moins à un certain moment de sa révolution — et ses pôles Nord et Sud se trouvent donc là où la plupart des autres planètes ont leur équateur. La planète est pourvue d’une magnétosphère en forme de tire-bouchon du fait de cette inclinaison de l’axe.
La distance de la planète à la Terre lui donnant une très faible taille apparente, son étude est difficile avec des télescopes situés sur la Terre. Uranus est visitée à une unique reprise lors de la mission Voyager 2, qui en réalise un survol le 24 janvier 1986. Les images de la sonde spatiale montrent alors une planète presque sans relief à la lumière visible, sans les bandes de nuages ou les tempêtes associées aux autres planètes géantes. L’avènement du télescope spatial Hubble et des grands télescopes au sol à optique adaptative permet ensuite des observations détaillées supplémentaires révélant un changement saisonnier, une activité météorologique accrue et des vents de l’ordre de 250 m/s alors qu’Uranus s’approchait de son équinoxe en 2007.
Son nom vient d’Ouranos, divinité grecque du ciel (Uranus dans la mythologie romaine), père de Cronos (Saturne) et grand-père de Zeus (Jupiter).
Contrairement aux autres planètes ayant des orbites plus proches du Soleil — Mercure, Vénus, Mars, Jupiter et Saturne — Uranus n’est pas découverte dès l’Antiquité. Du fait de son éloignement du Soleil, elle est observée à de nombreuses occasions mais est considérée comme une simple étoile jusqu’au XVIIIe siècle en raison de son très faible éclat — sa magnitude apparente étant à la limite de la visibilité à l’œil nu — et de son déplacement apparent très lent dans le ciel terrestre.
La première observation connue pourrait être celle d’Hipparque qui, en 128 av. J.-C., aurait pu l’enregistrer comme une étoile fixe dans son catalogue d’étoiles. En effet, un astérisme cité dans l’Almageste de Claude Ptolémée, reprenant les travaux d’Hipparque, ne peut être résolu que par la présence d’Uranus à cette époque. Par ailleurs, Uranus en avril 128 av. J.-C. était dans des conditions d’observation très favorables : proche de son périhélie avec une magnitude de 5,4 et à 33° du zénith.
La plus ancienne mention prouvée date de 1690 lorsque John Flamsteed l’observe au moins six fois et la catalogue en tant qu’étoile sous le nom de 34 Tauri. L’astronome français Pierre Charles Le Monnier observe Uranus au moins douze fois entre 1750 et 1769, dont quatre nuits consécutives John Bevis a peut-être également observé Uranus en 1738, des indices concordant avec une observation mais sans preuve définitive.
William Herschel est un musicien anglais pratiquant l’astronomie en amateur. N’ayant pas les moyens financiers d’acheter un télescope, il polit lui-même un miroir pour construire le sien. Il découvre la planète le 13 mars 1781 lors d’une recherche systématique d’étoiles à l’aide de son télescope depuis le jardin de sa maison du 19 New King Street à Bath dans le Somerset en Angleterre (désormais le musée d’astronomie Herschel).
Plus précisément, Herschel avait entrepris un catalogage d’étoiles selon leur magnitude. À la frontière des constellations des Gémeaux et du Taureau, Herschel remarque au milieu des étoiles fixes une petite tache : il change alors successivement d’oculaire, augmentant progressivement le grossissement. Cela fait augmenter la taille de l’objet à chaque fois tandis que les étoiles autour, très éloignées, ne varient pas en taille et restent de simples points brillants. Ainsi, il ne peut pas s’agir d’une étoile et il écrit donc dans son journal le 13 mars : « Dans le quartile près de ζ Tauri, (…) se trouve un objet curieux, soit une nébuleuse ou peut-être une comète ». Il note la position de l’astre puis, quelques jours après, reprend son observation : « J’ai observé la comète ou la nébuleuse et trouvé qu’il s’agissait d’une comète, car elle avait changé de place ».
Il décide alors de prévenir la communauté scientifique de sa découverte et envoie un courrier avec les détails de l’observation de la comète au directeur de l’observatoire d’Oxford, Thomas Hornsby. Il informe également l’Astronomer Royal Nevil Maskelyne de l’observatoire de Greenwich. Il reçoit une réponse déconcertée de sa part le 23 avril 1781 : « Je ne sais pas comment l’appeler. Il est aussi probable que ce soit une planète régulière se déplaçant sur une orbite presque circulaire par rapport au Soleil qu’une comète se déplaçant dans une ellipse très excentrique. Je n’ai pas encore vu de chevelure ni de queue ». Celui-ci ne pouvant trancher, il diffuse la nouvelle à d’autres scientifiques et conseille à Herschel d’écrire à la Royal Society. Le 26 avril 1781, lorsque William Herschel présente sa découverte à la Royal Society, il continue d’affirmer qu’il a trouvé une comète, mais la compare aussi implicitement à une planète.
Bien que Herschel continue par précaution à appeler ce nouvel objet une comète, d’autres astronomes commencent déjà à soupçonner sa véritable nature. L’astronome finno-suédois Anders Lexell, travaillant en Russie, est le premier à calculer l’orbite du nouvel objet en appliquant le modèle d’une planète. Son orbite presque circulaire correspondant au modèle appliqué l’amène à conclure qu’il s’agit d’une planète plutôt que d’une comète car il estime sa distance à dix-huit fois la distance Terre-Soleil et qu’aucune comète ayant un périhélie supérieur à quatre fois la distance Terre-Soleil n’a alors jamais été observée. L’astronome berlinois Johann Elert Bode décrit la découverte d’Herschel comme « une étoile en mouvement qui peut être considérée comme un objet semblable à une planète, inconnue jusqu’à présent, circulant au-delà de l’orbite de Saturne ». Bode conclut également que son orbite quasi circulaire ressemble plus à celle d’une planète que d’une comète. L’astronome français Charles Messier remarque aussi qu’avec son aspect de disque, elle ressemble plus à Jupiter qu’aux dix-huit autres comètes qu’il avait observées auparavant.
L’objet est ainsi rapidement unanimement accepté en tant que planète. En 1783, Herschel lui-même le reconnaît auprès du président de la Royal Society, Joseph Banks : « D’après l’observation des astronomes les plus éminents d’Europe, il semble que la nouvelle étoile, que j’ai eu l’honneur de leur signaler en mars 1781, est une planète primaire de notre Système solaire ». Le roi d’Angleterre George III récompense Herschel de sa découverte en lui attribuant une rente annuelle de 200 £ (soit 24 000 £ en 2021), à condition qu’il s’installe à Windsor afin que la famille royale puisse regarder à travers ses télescopes. Cette pension permet à Herschel d’arrêter son travail de musicien et de se consacrer pleinement à sa passion pour l’astronomie. Il a ensuite un fils, John Herschel (lui aussi astronome), devient directeur de la Royal Astronomical Society en 1820 puis meurt en 1822 à près de 84 ans — ce qui correspond à la période de révolution d’Uranus, coïncidence notée par Ellis D. Miner.
En conséquence, cette découverte permet d’élargir les limites connues du Système solaire pour la première fois de l’Histoire — là où Saturne marquait auparavant la limite — et fait d’Uranus la première planète classée comme telle à l’aide d’un télescope.
Le nom d’Uranus fait référence à la divinité grecque du ciel Ouranos (grec ancien : Οὐρανός, Uranus en mythologie romaine), le père de Cronos (Saturne) et grand-père de Zeus (Jupiter). La forme adjectivale d’Uranus est « uranien » mais l’adjectif « ouranien » est aussi parfois utilisé comme dans astéroïde ouranocroiseur.
Le consensus sur son nom n’est atteint que près de 70 ans après la découverte de la planète. Au cours des discussions originales qui suivent la découverte, Nevil Maskelyne propose à Herschel de nommer la planète, ce droit lui revenant en tant que découvreur. En réponse à la demande de Maskelyne, Herschel décide de nommer l’objet Georgium Sidus (« l’étoile de George » ou la « planète géorgienne »), en l’honneur de son nouveau mécène, le roi George III. Il explique cette décision dans une lettre à Joseph Banks en déclarant que dans l’Antiquité, les planètes étaient nommées d’après les noms des divinités principales et que dans l’ère actuelle, il ne serait guère admissible selon lui d’avoir recours à la même méthode pour nommer ce nouveau corps céleste. Aussi, l’important pour le désigner est de savoir quand il a été découvert : « le nom de Georgium Sidus se présente à moi comme une appellation permettant de fournir l’information du pays et de l’époque où et quand la découverte a été faite ».
Cependant, le nom proposé par Herschel n’est pas populaire en dehors de la Grande-Bretagne et des alternatives sont rapidement proposées. L’astronome français Jérôme Lalande suggère par exemple que la planète soit nommée Herschel en l’honneur de son découvreur. L’astronome suédois Erik Prosperin propose le nom de Neptune, ce qui est alors soutenu par d’autres astronomes car cela permettrait également de commémorer les victoires de la flotte de la Royal Navy au cours de la guerre d’indépendance États-Unis ; des propositions similaires telles que Neptune George III ou Neptune Great-Britain sont également avancées.
Dès 1781, Johann Bode propose Uranus, la version latinisée du dieu grec du ciel, Ouranos. Bode fait valoir que le nom devrait suivre la mythologie afin de ne pas se démarquer comme différent de celui des autres planètes, et qu’Uranus est un nom approprié en tant que père de la première génération des Titans. Il note aussi l’élégance du nom en ce que, tout comme Saturne était le père de Jupiter, la nouvelle planète devrait être nommée d’après le père de Saturne. En 1789, Martin Klaproth, compatriote et plus tard collègue de Bode à l’Académie royale des sciences de Suède, nomme l’élément chimique qu’il vient de découvrir uranium pour appuyer ce choix de nom. Finalement, la suggestion de Bode devient la plus largement utilisée et est reconnue universelle en 1850 lorsque le HM Nautical Almanac Office, dernier à toujours utiliser Georgium Sidus, délaisse le nom proposé par Herschel pour Uranus.
Uranus possède une variété de traductions dans d’autres langues33. Par exemple, en chinois, japonais, coréen et vietnamien, son nom est littéralement traduit par « étoile du roi du ciel » (天王星 ). En hawaïen, son nom est Heleʻekala, un emprunt pour le découvreur Herschel.
Au XIXe siècle et XXe siècle, il est très difficile d’observer correctement la surface d’Uranus à cause de sa distance avec la Terre. En 1937, les scientifiques fixent par spectroscopie et photométrie à 10 heures la rotation de la planète, qui était alors déjà vue comme rétrograde.
En 1948, Gerard Kuiper découvre Miranda, le plus petit et le dernier des cinq grands satellites sphériques — dits majeurs — d’Uranus, à l’observatoire McDonald.
Le 10 mars 1977, les anneaux d’Uranus sont découverts, par hasard, par les astronomes James L. Elliot, Edward W. Dunham et Douglas J. Mink, embarqués à bord de l’observatoire aéroporté Kuiper. Les astronomes souhaitent utiliser l’occultation de l’étoile SAO 158687 par Uranus pour étudier l’atmosphère de la planète. Or l’analyse de leurs observations met en évidence que l’étoile a été brièvement masquée à cinq reprises, avant et après l’occultation par Uranus ; les trois astronomes concluent à la présence d’un système d’anneaux planétaires étroits. Dans leurs articles, ils désignent les cinq occultations observées par les cinq premières lettres de l’alphabet grec : α, β, γ, δ et ε ; ces désignations sont ensuite réutilisées pour nommer les anneaux. Peu de temps après, Elliot, Dunham et Mink découvrent quatre autres anneaux : l’un d’eux est situé entre les anneaux β et γ et les trois autres à l’intérieur de l’anneau α. Le premier est nommé η et les autres, selon le système de numérotation des occultations adopté lors de la rédaction d’un autre article. Le système d’anneaux d’Uranus est le second découvert dans le Système solaire, après celui de Saturne connu depuis le XVIIe siècle.
Uranus possède 27 satellites naturels connus. Leur masse combinée — ainsi que celle des anneaux, négligeable — représente moins de 0,02 % de la masse de la planète. Les noms de ces satellites sont choisis parmi les personnages des œuvres de Shakespeare et d’Alexandre Pope.
William Herschel découvre les deux premières lunes, Titania et Obéron, en 1787 — soit six ans après la découverte de la planète. Elles sont nommées ainsi 65 ans après par son fils John Herschel6. Par ailleurs, William Herschel pense en avoir découvert quatre autres les années suivantes mais leur correspondance avec des lunes existantes n’est pas vérifiée. Ces observations ont alors une grande importance car elles permettent notamment d’estimer la masse et le volume de la planète.
William Lassell annonce officiellement la découverte d’Ariel et Umbriel en 1851, résultat d’un travail commun avec William Dawes. Près d’un siècle plus tard (en 1948), Gerard Kuiper découvre Miranda. La vingtaine de lunes restantes est découverte après 1985, pour certaines pendant le survol de Voyager 2 et les autres avec des télescopes au sol.
Les satellites d’Uranus sont divisés en trois groupes : treize satellites intérieurs, cinq satellites majeurs et neuf satellites irréguliers.
Les satellites intérieurs sont de petits corps sombres ayant des caractéristiques et une origine communes avec les anneaux de la planète. Leur orbite est située à l’intérieur de celle de Miranda et ils sont fortement liés aux anneaux d’Uranus, certaines lunes ayant probablement causé certains anneaux par fragmentation. Puck est le plus grand satellite intérieur d’Uranus, avec un diamètre de 162 km, et le seul pour lequel les photos prises par Voyager 2 montrent des détails. Parmi les autres satellites intérieurs, on compte par ordre d’éloignement à la planète Cordélia, Ophélie, Bianca, Cressida, Desdémone, Juliette, Portia, Rosalinde, Cupid, Belinda, Perdita et Mab.
Les cinq satellites majeurs — Miranda, Ariel, Umbriel, Titania et Obéron — ont une masse suffisante pour être en équilibre hydrostatique. Tous sauf Umbriel présentent à la surface des signes d’activité interne, tels que la formation de canyons ou du volcanisme. Le plus grand satellite d’Uranus, Titania, est le huitième plus grand du Système solaire, avec un diamètre de 1 578 km, soit un peu moins de la moitié de la Lune pour une masse vingt fois inférieure. La masse combinée des cinq principaux satellites est inférieure à la moitié de celle de Triton (le plus grand satellite naturel de Neptune) seul. Ils ont des albédos géométriques relativement bas, allant de 0,21 pour Umbriel à 0,39 pour Ariel — qui ont par ailleurs respectivement la plus ancienne et la plus jeune surface des satellites majeurs. Ce sont des conglomérats de glace et de roche composés d’environ 50 % de glace (ammoniac et dioxyde de carbone) et de 50 % de roche, de façon similaire aux satellites glacés de Saturne. Seule Miranda semble principalement composée de glace et possède des canyons d’une profondeur de 20 km, des plateaux et des variations chaotiques de ses caractéristiques de surface uniques dans le Système solaire. L’activité géologique passée de Miranda aurait été entraînée par un réchauffement par effet de marée à un moment où son orbite était plus excentrique qu’actuellement, probablement en raison d’une ancienne résonance orbitale 3:1 avec Umbriel.
Les satellites irréguliers d’Uranus ont des orbites elliptiques et fortement inclinées (en majorité rétrogrades), et orbitent à de grandes distances de la planète. Leur orbite se situe au-delà de celle d’Obéron, la grande lune la plus éloignée d’Uranus. Ils ont probablement tous été capturés par Uranus peu après sa formation. Leur diamètre est compris entre 18 km pour Trinculo et 150 km pour Sycorax. Margaret est le seul satellite irrégulier d’Uranus connu ayant une orbite prograde. C’est également un des satellites du Système solaire ayant l’orbite la plus excentrique avec 0,661, bien que Néréide, une lune de Neptune, ait une excentricité moyenne plus élevée avec 0,751189. Les autres satellites irréguliers sont Francisco, Caliban, Stephano, Prospero, Setebos et Ferdinand.
Uranus possède un système de treize anneaux planétaires connus, le système d’anneaux d’Uranus étant moins complexe que celui de Saturne, mais plus élaborés que ceux de Jupiter ou de Neptune.
William Herschel décrit la présence possible d’anneaux autour d’Uranus en 1787 et 1789. Cette observation est généralement considérée comme douteuse, car les anneaux sont sombres et ténus et, dans les deux siècles suivants, aucun n’a été noté par d’autres observateurs. Pourtant, Herschel fait une description précise de la taille de l’anneau epsilon, de son angle par rapport à la Terre, de sa couleur rouge et de ses changements apparents alors qu’Uranus orbitait autour du Soleil. Le système d’anneau est découvert de façon explicite le 10 mars 1977 par James L. Elliot, Edward W. Dunham et Jessica Mink à l’aide du Kuiper Airborne Observatory. La découverte est fortuite car ils prévoyaient d’utiliser l’occultation de l’étoile SAO 158687 par Uranus pour étudier son atmosphère. Lorsque de l’analyse de leurs observations, ils découvrent que l’étoile avait brièvement disparu cinq fois avant et après sa disparition derrière Uranus, les faisant conclure à l’existence d’un système d’anneau autour d’Uranus. Il s’agit alors du deuxième système d’anneaux planétaires découvert après celui de Saturne. Deux autres anneaux sont découverts par Voyager 2 entre 1985 et 1986 par observation directe.
En décembre 2005, le télescope spatial Hubble détecte une paire d’anneaux auparavant inconnus. Le plus grand est situé deux fois plus loin d’Uranus que les anneaux précédemment connus. Ces nouveaux anneaux sont si éloignés d’Uranus qu’ils sont appelés le système d’anneaux « extérieur ». Hubble repère également deux petits satellites, dont l’un, Mab, partage son orbite avec l’anneau nouvellement découvert le plus externe. En avril 2006, des images des nouveaux anneaux par l’observatoire de Keck révèlent leurs couleurs : le plus extérieur est bleu et l’autre rouge. Une hypothèse concernant la couleur bleue de l’anneau externe est qu’il est composé de minuscules particules de glace d’eau issues de la surface de Mab qui sont suffisamment petites pour diffuser la lumière bleue.
Leurs distances au centre d’Uranus vont de 39 600 km pour l’anneau ζ à environ 98 000 km pour l’anneau µ. Si les dix premiers anneaux d’Uranus sont fins et circulaires, le onzième, l’anneau ε, est plus brillant, excentrique et plus large, s’étendant de 20 km au point le plus proche de la planète à 98 km au point le plus éloigné. Il est encadré par deux lunes « bergères », assurant sa stabilité, Cordélia et Desdémone. Les deux derniers anneaux sont très nettement plus éloignés, l’anneau μ se situant deux fois plus loin que l’anneau ε. Il existe probablement de faibles bandes de poussière et des arcs incomplets entre les anneaux principaux. Ces anneaux sont très sombres : l’albédo de Bond des particules les composant ne dépasse pas 2 %, ce qui les rend très peu visibles. Ils sont probablement composés de glace et d’éléments organiques noircis par le rayonnement de la magnétosphère. Au regard de l’âge du Système solaire, les anneaux d’Uranus seraient assez jeunes : leur durée d’existence ne dépasserait pas 600 millions d’années et ils ne se sont donc pas formés avec Uranus. La matière formant les anneaux a probablement déjà fait partie d’une lune — ou de lunes — qui aurait été brisée par des impacts à grande vitesse. Parmi les nombreux débris formés à la suite de ces chocs, seules quelques particules ont survécu, dans des zones stables correspondant aux emplacements des anneaux actuels.
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Sources : Wikipédia, YouTube.