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       - Un champ qui perd le nord  
    Hors série - Science & Vie - 1996-09-01      
    Pour Uranus, c'est la magnétosphère qui stupéfie le plus les physiciens. Il y a de quoi …  
    Le Soleil chauffait de ses maigres rayons le pôle Sud de la septième planète depuis vingt ans, quand Voyager II l'a rapidement survolé, tournant la page à deux siècles d'incompréhension. L'abordant à une vitesse dix fois supérieure à celle d'une balle de revolver, le 24 janvier 1986, avec une minute seulement de retard sur l'horaire prévu, la sonde américaine a découvert Uranus vautrée sur son orbite, la boule complètement lisse et exhibant la plus bizarre des magnétosphères du système solaire.  
    En août 1989, frôlant Neptune, qui se tient plus droite, l'engin allait avoir moins de surprises, en voyant un corps strié de bandes nuageuses, comme Jupiter et Saturne, quoique doté d'un magnétisme similaire à celui de son plus proche voisin. Le survol des deux géantes gazeuses, dernières étapes inscrites in extremis par la NASA au programme du "Grand Tour" valait le détour il a non seulement permis de photographier leurs satellites, petits et gros, de recenser leurs anneaux filiformes, mais surtout, de noter un magnétisme aussi intrinsèque qu'intriguant.  
    On manquait d'informations sur Uranus, découverte sur le tard et qui, vue de la Terre, même par les grands télescopes, ressemble à une grosse balle bleu-vert. Si grande est sa discrétion que les Anciens ne l'avaient pas remarquée et croyaient que le système solaire s'arrêtait à Saturne. D'aucuns, après l'invention de la lunette par Galilée, en 1610, et d'après le Royal Greenwich Observatory, l'avaient entr'aperçue à quinze reprises. Mais ils l'avaient prise pour une étoile, tel John Flamsteed qui, en 1690, l'avait baptisée 34 Tauri dans son célèbre Catalogue.  
    C'est l'Anglais William Herschel qui, par une nuit de mars 1781, en la voyant dans un télescope poli, en compagnie de sa petite soeur Caroline, signala pour la première fois l'existence d'Uranus. Il crut d'abord avoir affaire à une comète. Mais, à la lumière des calculs de Lexell et de Laplace, il comprit qu'il s'agissait d'une planète, une de plus accrochée au Soleil.  
    Pour rendre hommage à sa patrie et à son roi, Georges III, Herschel voulut la baptiser du nom de Georgium Sidus. Mais ce nom, bassement terrestre, aurait rompu l'harmonie des sphères, lesquelles portent toutes des noms de dieux romains. L'oreille musicale, il se laissa convaincre par l'Allemand Johan Bode qui suggéra le premier Uranus, du nom d'Ouranos, personnification du ciel dans la mythologie grecque.  
    Lorsque la sonde Voyager II croisa Uranus, on ne la connaissait donc que depuis deux cents ans. A l'observer de loin, on s'était énormément trompé sur son compte. Avant la rencontre, on ne lui accordait que cinq satellites Titania, Obéron, Ariel, Umbriel et Miranda, les deux premiers découverts par Herschel lui-même. La sonde décela dix autres objets, tous criblés de cratères. La planète, en revanche, avait la surface si nette au moment du survol que les astronomes se sont demandés si elle n'était pas trop visqueuse pour posséder une circulation atmosphérique.  
    Aujourd'hui, après dix ans de réflexion, on pense qu'elle possède un petit noyau rocheux, plongé dans une atmosphère très dense (composée de gaz et de glaces d'eau, d'ammoniac et de méthane), le tout enrobé d'une épaisse couche d'hydrogène et d'hélium, elle-même saupoudrée de nuages de méthane, d'ammoniac et de glace d'eau. L'ensemble est conservé au froid, à -214°C, température de surface.  
    Uranus est tellement écrasée sur son orbite que son équateur présente un angle de 98° par rapport à son plan. Elle fait un tour complet sur elle-même en 17h et 14,4', si l'on se fie à son champ magnétique, et en 17 heures 24 minutes si l'on se fonde sur les rares structures nuageuses - des "houppettes" de 2'000 kilomètres - que la sonde américaine a décelées sous sa brume.  
    Uranus est bel et bien balayée par de puissants courants atmosphériques : elle dispose d'une météo analogue à celle de la Terre. "C'est la moins violente des planètes extérieures", tempère Athéna Coustenis, astrophysicienne au CNRS. Réclamant quatre-vingt quatre ans pour accomplir une révolution, la planète avance pratiquement couchée, présentant tour à tour ses pôles au Soleil, gymnastique qui étire démesurément ses saisons. L'hiver interminable y dure 42 ans, l'été - guère plus chaud - s'y éternise aussi longtemps. Bref, le climat est plutôt rude sur la septième.  
    Ce qui parut curieux, de prime abord, c'est que la haute atmosphère au-dessus du pôle uranien, exposée aux rayons du Soleil, était légèrement plus froide que celle surplombant la région opposée, pourtant plongée dans la nuit. Certes, à pareille distance (2 milliards 869 millions de kilomètres en moyenne), notre chère étoile se montre moins généreuse elle ne donne que 1/360e de l'énergie offerte à la Terre. Cela n'empêche pas que le pôle exposé soit plus gelé que celui à l'ombre.  
    Cette différence est d'autant plus énigmatique qu'une émission ultraviolette, sur la face diurne, trahit un phénomène calorigène des électrons de basse énergie (et d'origine inconnue), s'introduisent dans l'écharpe d'hydrogène épaisse de plusieurs milliers de kilomètres qui emmitoufle la pâle planète. Ce crachin de particules (qualifié d'"electro-glow" ou d'"électro-luminescence", selon l'expression de Jacques Blamont) devrait logiquement lui réchauffer le pôle éclairé. Alors, pourquoi tant de froideur ?  
    En fait, les deux pôles étaient è peu près à la même température, aux barres d'erreurs près, ce qui ne résout rien : celui exposé au Soleil aurait du être plus chaud que l'autre mais la température est très basse, explique Athéna Coustenis. L'atmosphère d'Uranus réagit donc lentement à l'insolation et le temps qu'elle met à se refroidir est tout aussi long. Même une fois passé à l'ombre, un pôle reste chaud, tandis que l'autre,fraîchement exposé au Soleil, demeure froid.  
    Avant le survol de la planète, les pessimistes doutaient qu'Uranus ait un champ magnétique. "L'absence de bruit radio donnait libre cours aux spéculations : on en était venu à se demander si elle en avait un et si elle était, comme Vénus, vierge de tout magnétisme, se souvient Ralph McNutt Jr, du laboratoire de physique appliquée de l'Université Johns Hopkins. On avait certes cru déceler une émission radio quelques années auparavant, mais elle ne constituait pas une preuve convaincante …"  
    Les plus optimistes imaginaient qu'Uranus jouissait d'un magnétisme jusqu'à deux fois supérieur à celui de Jupiter. La sonde Voyager Il a tranché, en l'évaluant à un modeste barreau de 0,23 Gauss, chiffre légèrement inférieur aux normes terrestres (0,3 Gauss), mais toutefois suffisant pour conférer à l'astre couché une magnétosphère originale.  
    Le champ magnétique d'une planète lambda est en première approximation celui d'un dipôle : son intensité et ses lignes de forces sont identiques à celles d'un barreau aimanté dont les pôles coïncident, à quelques degrés près, avec ceux de l'axe de rotation (pôles géographiques). Sur Terre, ces deux types de pôles sont séparés de 11,4°, sur Jupiter de 9,6°, et sur Saturne, ils sont parfaitement alignés.  
    Qui dit champ magnétique dit magnétosphère bien développée. "La magnétosphère est la sphère d'influence du champ magnétique d'une planète, une bulle presque vide que le vent solaire est obligé de contourner", explique Philippe Zarka, astrophysicien au CNRS (observatoire de Meudon).  
    Ainsi, autour d'une planète dépourvue de champ magnétique, comme Vénus, les flots de particules éjectés par le Soleil, à des vitesses moyennes de 400 km/ s s'écoulent comme l'eau d'une rivière autour d'un rocher. En revanche, si l'astre en a un, comme la Terre, Jupiter, ou Saturne, dont les lignes de force sont perpendiculaires au "courant", les particules n'arrivent pas à l'approcher. Elles se heurtent à une barrière quasi imperméable en amont de la planète et sont déroutées. Résultat il se forme une zone de vide, une espèce de no man's land où ne pénètrent que de rares particules.  
    Le vide n'est jamais complètement vide, et la magnétosphère se divise en plusieurs régions. Les particules du vent solaire se déplaçant à une vitesse supersonique, une onde de choc apparaît très à l'avant de la planète, sous laquelle se glissent une magnétogaine extensible (faisant office de zone tampon) et une magnétopause (une frontière où pression de particules et pression magnétique s'annulent mutuellement, et au-delà de laquelle l'influence magnétique de la planète s'estompe). Cette triple protection contre le vent solaire ralentit brutalement, chauffe et dévie de leur trajectoire les flots de particules chargées.  
    Le dispositif n'étant pas parfaitement étanche, à l'arrière de la magnétopause, il se crée des réservoirs de plasma. Le vent solaire repousse les lignes de champ dans le dos de la planète, où se forment une queue magnétosphérique allongée (du côté opposé au Soleil) et des régions aurorales (au-dessus des pôles).  
    Là, à l'inverse, les particules subissent une forte accélération par un mécanisme qu'élucideront peut-être les missions Galiléo et Cassini. En fait, Jupiter, Saturne et la Terre présentent des magnétosphères cousines. Ces trois planètes magnétiques ayant les pôles perpendiculaires à leur orbite, les particules chargées qui glissent le long de leurs lignes de force s'engouffrent dans leur atmosphère par les cornets polaires.  
    Compte tenu de sa position avachie, on s'attendait à ce qu'Uranus, qui dardait généreusement son pôle Sud vers le Soleil au moment du passage de Voyager II, reçoive des quantités de particules sur la partie exposée du globe. "Nous pensions observer des aurores australes terribles cote Soleil et nous imaginions, cote nuit, que la queue magnètosphérique bouclerait en hélice torsadée", poursuit Philippe Zarka. Ce ne fut pas le cas.  
    Uranus ne fait décidément rien comme les autres. Son axe de rotation et l'axe de son dipôle sont inclinés de 58,6°, l'un par rapport à l'autre. Ses pôles magnétiques se retrouvent donc juchés à la hauteur des latitudes moyennes et décrivent un cône ouvert de presque 60°. L'anomalie a immédiatement soulevé une question le champ magnétique a-t-il été complètement bouleversé par l'accident à l'origine du chavirage orbital de la planète ?  
    Probablement pas. Pour deux raisons la première est qu'il est difficile d'imaginer qu'un choc violent ait pu déplacer uniquement les couches externes et laisser le noyau fluide métallique en position quasi verticale. La seconde est que tout le système de satellites est renversé comme la planète, tournant presque perpendiculairement au plan de l'écliptique dans lequel gravitent d'ordinaire toutes les lunes.  
    Si collision il y a eu, celle-ci remonte donc au tout début de la formation du système solaire, soit au bas mot, à quelque 4,6 milliards d'années. "Or, avec le temps, même si le noyau avait été faiblement couplé avec ses couches externes, il aurait fini par se réaligner, estime Philippe Zarka. C'est toute la théorie de la production du champ magnétique d'une planète qu'il faut repenser Nous en avions une vision trop simpliste : nous pensions qu'en tournant, la planète remuait son noyau métallique, et que cette agitation interne suffisait è lui conférer son champ magnétique. En fait, nous avons affaire è des mouvements de matière beaucoup plus compliqués, "chaotiques", pour reprendre un terme è la mode, un peu comme si l'on faisait cuire une marmite è gros bouillons !".  
    D'où la magnétosphère bizarre observée autour d'Uranus par Voyager II, laquelle, en survolant Neptune durant l'été 1989, a confirmé que l'axe magnétique n'est pas nécessairement aligné sur l'axe de rotation, même lorsque la planète n'est pas couchée : Neptune, qui n'est inclinée que de 200 sur l'écliptique, a ses pôles magnétiques décalés de 46,90. "il faudrait faire des simulations numériques pour bien comprendre la physique sous-jacente, mais le nombre de paramètres rend la chose difficile", regrette l'astrophysicien de Meudon.  
    Toujours est-il qu'il s'en passe de drôles là-haut. Le maigre plasma autour d'Uranus indique qu'il existe des sources de particules, probablement arrachées à l'atmosphère, et brassées par de rapides courants de convection à travers tout le système. Les champs magnétiques transportés par le vent solaire et celui de la planète, en se recombinant en permanence, provoquent des sursauts radios intenses et déclenchent des aurores polaires aussi brutales qu'éphémères à des latitudes incongrues. Des ceintures de radiation ont également été observées.  
    James Van Allen, inventeur des ceintures éponymes en forme de croissant, qui emprisonnent les particules accélérées du vent solaire au voisinage de la Terre, considère Uranus comme un objectif prioritaire pour l'étude de la physique magnétosphérique. "Malheureusement, c'est une planète "chère", parce que lointaine, donc difficile è atteindre. Ni la NASA, ni I'ESA n'envisagent, pour le moment, d'expédier un nouvel engin la-bas", déplore l'Américain McNutt Jr. Force est de se rabattre sur des objets célestes plus proches, la Terre au premier chef.  
    Las, les astronomes qui comptaient sur les quatre satellites du système Cluster pour étudier la magnétosphère terrestre en 3D, pendant deux ans, et, partant, mieux comprendre celles des planètes soeurs même les plus déboussolées, enragent. La fusée Ariane V, qui devait placer ces "laboratoires" volants ultra-sophistiqués sur orbite, a explosé le 4 juin dernier, moins d'une minute après son décollage, réduisant en fumée dix années de travail.  
     
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