Le printemps sur Pluton : un bilan sur 30 ans

Comme celle de la Terre, l’atmosphère de Pluton est essentiellement composée d’azote. La comparaison s’arrête là.

Situé au-delà de Neptune, Pluton met 248 ans à faire une révolution complète autour du Soleil. Au cours d’une année plutonienne, sa distance au Soleil connaît de grandes variations, passant de 30 à 50 unités astronomiques [1]. Les cycles saisonniers y sont d’autant plus extrêmes.

Avec des températures de surface extrêmement basses, inférieures à –230°C (40°K), s’opère un équilibre solide-gaz, où une fine atmosphère essentiellement composée d’azote coexiste avec des dépôts de glace en surface.

Vue globale en vraie couleur de Pluton photographié à 450 000 km de distance par la sonde New Horizons de la NASA

© 2015 NASA-JHUAPL-SwRI

Aujourd’hui, la vapeur d’azote est estimée stabilisée à une pression autour de 1,3 pascal (contre environ 100 000 Pa sur notre planète).

Du fait de l’importance de son obliquité (l’angle formé entre l’axe polaire et le plan orbital), à 120°, ses pôles sont successivement exposés à un jour permanent pendant plusieurs décennies, puis à une nuit permanente. Cela conduit à un cycle complexe de redistribution de ses espèces volatiles que sont l’azote, le méthane et le monoxyde de carbone. Ainsi Pluton a connu son équinoxe en 1988, avant de passer au périhélie (à 30 ua) en 1989. Depuis lors, la planète naine s’est continuellement éloignée du Soleil pour atteindre 32 ua en 2016, ceci se traduisant par une perte de 25 % de son insolation moyenne.

On aurait pu alors naïvement s’attendre à une forte chute de la pression atmosphérique, l’équilibre gaz-glace de l’azote imposant que pour chaque degré Kelvin perdu à la surface, la pression doit diminuer d’un facteur deux.

Or c’est l’exact opposé qui se produit. La preuve en est apportée par l’article qui parait dans la revue A&A du 10 mai 2019, et qui dresse le bilan d’une douzaine d’occultations stellaires observée en près de 30 ans, printemps dans l’hémisphère nord de Pluton : la pression atmosphérique augmente d’un facteur trois entre 1988 et 2016.

Pression atmosphérique à la surface de Pluton en fonction du temps, de 1988 à 2238

Les carrés noirs représentent les pressions mesurées à partir des observations d’une douzaine d’occultations stellaires, entre 1988 et 2016. Les courbes continues figurent les pressions calculées par les modèles théoriques. La courbe en vert est celle du modèle théorique prévalent dont les paramètres ont été contraints par les observations sol (occultations) et espace (New Horizon).
© Meza et al. Astron. Astrophys.

Ce scenario paradoxal, des modèles climatiques globaux (MCG) de Pluton l’avait déjà envisagé dès les années 1990, mais sans certitude, comme un parmi bien d’autres. Plusieurs paramètres importants du modèle restaient en effet à être contraint par des observations.

Ces observations d’occultations stellaires depuis la Terre, couplées aux données recueillies pendant le survol de Pluton de la mission NASA New Horizons en juillet 2015, permettent maintenant d’écrire un scénario beaucoup plus précis.

En 2015, la sonde New Horizons de la NASA révèle la surface de Pluton

A droite de l’image, vue de Sputnik Planitia prise à une distance de 18 000 km.
@ NASA/JHUAPL/SwRI

New Horizons a cartographié la distribution et la topographie des glaces à la surface de la planète naine, en révélant une vaste dépression de plus de 1 000 km de diamètre et de 4 km de profondeur, située à l’équateur entre les latitudes 25°S et 50°N, et appelée Sputnik Planitia. Cette dépression séquestre une partie de l’azote disponible dans l’atmosphère, formant un gigantesque glacier qui est le véritable « cœur » du climat de la planète naine, puisqu’il régule la circulation atmosphérique via la sublimation de l’azote.

Les occultations quant à elles permettent de contraindre l’inertie thermique du sous-sol du modèle expliquant ainsi le déphasage de trente ans entre le passage au périhélie (1989) et la croissance de la pression encore observée aujourd’hui (Fig. 1), le sous-sol ayant stocké la chaleur et la restituant petit à petit. Les occultations contraignent aussi la fraction de l’énergie solaire renvoyée dans l’espace (albédo de Bond) de la glace d’azote et son émissivité.

Enfin, ces observations éliminent l’existence d’un réservoir d’azote dans l’hémisphère sud (actuellement dans une nuit permanente), qui causerait un maximum de pression beaucoup plus précoce que ce qui est observé (courbe magenta de la Fig. 1).

Cette étude est une belle illustration de la complémentarité des observations au sol et spatiales. Sans le survol d’une sonde spatiale, la distribution et la topographie des glaces resteraient inconnues, et sans le suivi sur le long terme de l’atmosphère, les modèles climatiques de Pluton ne pourraient pas être contraints.

Prédiction de futures occultations

Pour finir, les occultations fournissent, grâce au catalogue DR2 de la mission européenne Gaia, 19 positions de Pluton entre 1988 et 2016, avec une précision inégalée de quelques milliarcsec (mas) dans le ciel. Ceci permet de calculer pour la décennie à venir une éphéméride de Pluton avec cette précision.

Il sera ainsi possible d’observer d’autres occultations par Pluton et de surveiller le climat de ce monde lointain… Les modèles théoriques indiquent que l’atmosphère de Pluton serait actuellement proche son expansion maximum. De prochaines observations pourraient confirmer ou infirmer cette prédiction. Allons-nous voir bientôt le début de ce lent déclin, qui à terme devrait réduire d’un facteur vingt la pression l’atmosphérique de Pluton, et recouvrir sa surface d’une fine couche brillante de « gelée blanche » ?

Référence

Ce travail de recherche a fait l’objet de deux articles intitulés respectivement « Lower atmosphere and pressure evolution on Pluto from ground-based stellar occultations, 1988-2016 », par E. Meza et al., et « Pluto’s ephemeris from ground-based stellar occultations (1988-2016)  » par J. Desmars et al., parus le 10 mai 2019 dans la revue Astronomy and Astrophysics.

Ces résultats ont été obtenus en partie grâce au financement par le Conseil européen de la recherche du projet ’Lucky Star’, dirigé par Bruno Sicardy (ERC Advanced Grant n°669416).

En savoir plus

• Projet ERC Lucky Star

Contacts LESIA

• Bruno SICARDY, Professeur Sorbonne Université, +33 (0) 1 45 07 75 15

• Josselin DESMARS, Post-doc ERC Lucky Star, +33 (0) 1 45 07 74 92

• Emmanuel LELLOUCH, Astronome, +33 (0) 1 45 07 76 72