Les images montrent la position des cinq plus grandes lunes d'Uranus et leurs orbites autour d'Uranus le 12 juillet 2011, vues par Herschel. Gauche :Positions et orbites calculées des lunes. Le côté gauche du plan orbital pointe vers nous. La taille des objets n'est pas affichée à l'échelle. A droite :Carte en fausses couleurs de la luminosité infrarouge à une longueur d'onde de 70 µm après suppression du signal de la planète Uranus, mesurée avec l'instrument PACS de l'observatoire spatial Herschel. La forme caractéristique des signaux, qui ressemble à un trèfle à trois feuilles, est un artefact généré par le télescope. Crédit :T. Müller (HdA)/Ö. H. Détre et al./MPIA
Il y a plus de 230 ans, l'astronome William Herschel a découvert la planète Uranus et deux de ses lunes. En utilisant l'observatoire spatial Herschel, un groupe d'astronomes dirigé par Örs H. Detre de l'Institut Max Planck d'astronomie a maintenant réussi à déterminer les propriétés physiques des cinq lunes principales d'Uranus. Le rayonnement infrarouge mesuré, qui est généré par le soleil chauffant leurs surfaces, suggère que ces lunes ressemblent à des planètes naines comme Pluton. L'équipe a développé une nouvelle technique d'analyse qui a extrait les faibles signaux des lunes à côté d'Uranus, qui est plus de mille fois plus lumineux. L'étude a été publiée aujourd'hui dans la revue Astronomie &Astrophysique .
Pour explorer les régions extérieures du système solaire, sondes spatiales telles que Voyager 1 et 2, Cassini-Huygens et New Horizons ont été envoyés sur de longues expéditions. Aujourd'hui un groupe de recherche germano-hongrois, dirigé par Örs H. Detre du Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) à Heidelberg, montre qu'avec la technologie et l'ingéniosité appropriées, des résultats intéressants peuvent également être obtenus avec des observations de loin.
Les scientifiques ont utilisé les données de l'observatoire spatial Herschel, qui a été déployée entre 2009 et 2013 et dans le développement et le fonctionnement de laquelle MPIA a également été fortement impliqué. Par rapport à ses prédécesseurs qui couvraient une gamme spectrale similaire, les observations de ce télescope étaient nettement plus nettes. Il a été nommé d'après l'astronome William Herschel, qui a trouvé le rayonnement infrarouge en 1800. Quelques années plus tôt, il a également découvert la planète Uranus et deux de ses lunes (Titania et Obéron), qui ont maintenant été explorées plus en détail avec trois autres lunes (Miranda, Ariel et Umbriel).
"Réellement, nous avons réalisé les observations pour mesurer l'influence de sources infrarouges très brillantes comme Uranus sur le détecteur de la caméra, " explique le co-auteur Ulrich Klaas, qui a dirigé le groupe de travail de la caméra PACS de l'observatoire spatial Herschel au MPIA avec laquelle les images ont été prises. "Nous n'avons découvert les lunes que par hasard en tant que nœuds supplémentaires dans le signal extrêmement lumineux de la planète." La caméra PACS, qui a été développé sous la direction du Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE) à Garching, était sensible aux longueurs d'onde comprises entre 70 et 160 µm. C'est plus de cent fois supérieur à la longueur d'onde de la lumière visible. Par conséquent, les images du télescope spatial Hubble de taille similaire sont environ cent fois plus nettes.
Images des cinq plus grandes lunes d'Uranian Miranda, Arielle, Ombrie, Titania et Obéron. La sonde spatiale Voyager 2 a pris ces images lors d'un survol le 24 janvier 1986. Les diamètres des lunes sont indiqués à l'échelle. Crédit :NASA/JPL/MPIA
Les objets froids rayonnent très brillamment dans cette gamme spectrale, comme Uranus et ses cinq lunes principales, qui, réchauffé par le Soleil, atteignent des températures comprises entre 60 et 80 K environ (–213 à –193 °C).
"Le moment de l'observation était aussi un coup de chance, " explique Thomas Müller de MPE. L'axe de rotation d'Uranus, et donc aussi le plan orbital des lunes, est inhabituellement inclinée vers leur orbite autour du Soleil. Alors qu'Uranus tourne autour du Soleil depuis plusieurs décennies, c'est principalement l'hémisphère nord ou sud qui est illuminé par le Soleil. « Lors des observations, cependant, la situation était si favorable que les régions équatoriales bénéficiaient de l'irradiation solaire. Cela nous a permis de mesurer à quel point la chaleur est retenue dans une surface lorsqu'elle se déplace vers le côté nuit en raison de la rotation de la lune. Cela nous a beaucoup appris sur la nature du matériau, " explique Müller, qui a calculé les modèles pour cette étude. De là, il a dérivé les propriétés thermiques et physiques des lunes.
Lorsque la sonde spatiale Voyager 2 a dépassé Uranus en 1986, la constellation était beaucoup moins favorable. Les instruments scientifiques ne pouvaient capturer que les régions du pôle sud d'Uranus et des lunes.
Müller a découvert que ces surfaces emmagasinent la chaleur de manière inattendue et refroidissent relativement lentement. Les astronomes connaissent ce comportement à partir d'objets compacts avec un surface glacée. C'est pourquoi les scientifiques supposent que ces lunes sont des corps célestes similaires aux planètes naines aux confins du système solaire, comme Pluton ou Haumea. Des études indépendantes de certains des lunes irrégulières d'Uranian, qui s'appuient également sur des observations avec PACS/Herschel, indiquent qu'ils ont des propriétés thermiques différentes. Ces lunes présentent des caractéristiques des objets transneptuniens plus petits et lâchement liés, qui sont situés dans une zone au-delà de la planète Neptune. "Cela correspondrait également aux spéculations sur l'origine des lunes irrégulières, " ajoute Müller. " En raison de leurs orbites chaotiques, on suppose qu'ils n'ont été capturés par le système uranien qu'à une date ultérieure."
Ces images expliquent comment les lunes d'Uranian ont été extraites des données. Gauche :L'image originale contient les signaux infrarouges d'Uranus et de ses cinq lunes principales, mesurée à une longueur d'onde de 70 µm. Uranus est plusieurs milliers de fois plus lumineuse qu'une seule lune. Son image est dominée par des artefacts dus aux interférences du télescope et de la caméra. Titania et Oberon sont à peine visibles. Centre :À l'aide de ces données, une procédure sophistiquée a créé un modèle pour la distribution de la luminosité d'Uranus seul. Ceci est soustrait de l'image originale. A droite :enfin, les signaux des lunes restent après la soustraction. À l'emplacement d'Uranus, la méthode d'extraction pas tout à fait parfaite affecte légèrement le résultat. Crédit :Ö. H. Détre et al./MPIA
Cependant, les cinq lunes principales étaient presque oubliées. En particulier, des objets très lumineux comme Uranus génèrent de forts artefacts dans les données PACS/Herschel, qui font qu'une partie de la lumière infrarouge dans les images est répartie sur de grandes surfaces. Ceci est à peine perceptible lors de l'observation d'objets célestes faibles. Avec Uranus, cependant, c'est encore plus prononcé. « Les lunes, qui sont entre 500 et 7400 fois plus faibles, sont à une si petite distance d'Uranus qu'ils se confondent avec les artefacts tout aussi brillants. Seules les lunes les plus brillantes, Titania et Obéron, se démarquer un peu de l'éblouissement environnant, " Le co-auteur Gábor Marton de l'Observatoire Konkoly à Budapest décrit le défi.
Cette découverte accidentelle a incité rs H. Detre à rendre les lunes plus visibles afin que leur luminosité puisse être mesurée de manière fiable. « Dans des cas similaires, comme la recherche d'exoplanètes, nous utilisons des coronographes pour masquer leur brillante étoile centrale, » explique Detre. « Herschel ne disposait pas d'un tel appareil. Au lieu, nous avons profité de la stabilité photométrique exceptionnelle de l'instrument PACS. » Sur la base de cette stabilité et après avoir calculé les positions exactes des lunes au moment des observations, il a développé une méthode qui lui a permis de supprimer Uranus des données. "Nous avons tous été surpris lorsque quatre lunes sont clairement apparues sur les images, et nous pouvions même détecter Miranda, la plus petite et la plus intérieure des cinq plus grandes lunes uraniennes, " Detre conclut.
"Le résultat démontre que nous n'avons pas toujours besoin de missions spatiales planétaires élaborées pour acquérir de nouvelles connaissances sur le système solaire, ", souligne le co-auteur Hendrik Linz de MPIA. "En outre, le nouvel algorithme pourrait être appliqué à d'autres observations qui ont été recueillies en grand nombre dans les archives de données électroniques de l'Agence spatiale européenne ESA. Qui sait quelle surprise nous attend encore là-bas ?"
