Le système d’anneaux

Les anneaux d’Uranus ont été les premiers à être découverts autour d’une planète autre que Saturne. L’astronome américain James L. Elliot et ses collègues ont découvert le système d’anneaux depuis la Terre en 1977, neuf ans avant la rencontre de Voyager 2, lors d’une occultation stellaire d’Uranus – c’est-à-dire lorsque la planète est passée entre une étoile et la Terre, bloquant temporairement la lumière de l’étoile. De manière inattendue, les chercheurs ont observé que l’étoile avait brièvement baissé d’intensité cinq fois à une distance considérable au-dessus de l’atmosphère d’Uranus, avant et après l’occultation de l’étoile par la planète. Ces baisses de luminosité indiquent que la planète est entourée de cinq anneaux étroits. Des observations terrestres ultérieures ont révélé quatre anneaux supplémentaires. Voyager 2 a détecté un dixième anneau et a trouvé des indications sur d’autres. À l’extérieur d’Uranus, les 10 sont nommés 6, 5, 4, Alpha, Beta, Eta, Gamma, Delta, Lambda, et Epsilon. La lourdeur de la nomenclature est due au fait que les nouveaux anneaux ont été découverts à des endroits qui ne correspondaient pas à la nomenclature originale. Les caractéristiques des anneaux sont données dans le tableau.

Les anneaux sont étroits et assez opaques. Les largeurs observées sont simplement les distances radiales entre le début et la fin des événements d’obscurcissement individuels. Les largeurs équivalentes sont le produit (plus précisément, l’intégrale) de la distance radiale et de la fraction de la lumière des étoiles bloquée. Le fait que les largeurs équivalentes soient généralement inférieures aux largeurs observées indique que les anneaux ne sont pas complètement opaques. La combinaison de la luminosité des anneaux observée sur les images de Voyager et des largeurs équivalentes obtenues par occultation montre que les particules des anneaux reflètent moins de 5 % de la lumière solaire incidente. Leur spectre de réflectance presque plat signifie que les particules sont essentiellement de couleur grise. La suie ordinaire, qui est principalement composée de carbone, est l’analogue terrestre le plus proche. On ne sait pas si le carbone provient de l’assombrissement du méthane par le bombardement de particules ou s’il est intrinsèque aux particules des anneaux.

Les effets de diffusion sur le signal radio de Voyager propagé à travers les anneaux jusqu’à la Terre ont révélé que les anneaux sont constitués principalement de grandes particules, des objets de plus de 140 cm de diamètre. La diffusion de la lumière solaire lorsque Voyager se trouvait de l’autre côté des anneaux et orientait sa caméra vers le Soleil a également révélé la présence de petites particules de poussière de l’ordre du micromètre. Seule une petite quantité de poussière a été trouvée dans les anneaux principaux. La plupart des particules microscopiques étaient plutôt réparties dans les espaces entre les anneaux principaux, ce qui suggère que les anneaux perdent de la masse à la suite de collisions. La durée de vie de la poussière en orbite autour d’Uranus est limitée par la résistance exercée par l’atmosphère étendue de la planète et par la pression de radiation de la lumière solaire ; les particules de poussière sont poussées vers des orbites plus basses et finissent par tomber dans l’atmosphère uranienne. Les durées de vie orbitale calculées sont si courtes – 1 000 ans – que la poussière doit être créée rapidement et continuellement. La traînée atmosphérique d’Uranus semble être si importante que les anneaux actuels peuvent eux-mêmes être de courte durée. Si c’est le cas, les anneaux ne se sont pas formés avec Uranus, et leur origine et leur histoire sont inconnues.

Les collisions entre les particules d’anneaux très serrées conduiraient naturellement à une augmentation de la largeur radiale des anneaux. Les lunes plus massives que les anneaux peuvent stopper cet étalement dans un processus appelé berger. Certaines orbites qui se trouvent à l’intérieur ou à l’extérieur de l’orbite d’un anneau donné ont le rayon approprié pour qu’une lune sur une telle orbite puisse établir une résonance dynamique stable avec les particules de l’anneau. La condition de cette résonance est que les périodes orbitales de la lune et des particules de l’anneau soient liées l’une à l’autre par un rapport de petits nombres entiers. Dans ce type de relation, lorsque la lune et les particules se croisent périodiquement, elles interagissent gravitationnellement d’une manière qui tend à maintenir la régularité des rencontres. La lune exerce un couple net sur l’anneau et, comme la lune et l’anneau échangent leur moment angulaire, l’énergie est dissipée par des collisions entre les particules de l’anneau. Il en résulte que les particules de la lune et de l’anneau se repoussent mutuellement. Le corps qui se trouve sur l’orbite extérieure se déplace vers l’extérieur, tandis que celui qui se trouve sur l’orbite intérieure se déplace vers l’intérieur. Comme la lune est beaucoup plus massive que l’anneau, elle empêche ce dernier de s’étendre sur le rayon où se produit la résonance. Une paire de lunes bergères, une de chaque côté d’un anneau, peut maintenir sa largeur étroite.

Voyager 2 a découvert que les deux lunes les plus intérieures, Cordélia et Ophélie, orbitent de chaque côté de l’anneau Epsilon à exactement les bons rayons requis pour le berger. Les bergers des autres anneaux n’ont pas été observés, peut-être parce que les lunes sont trop petites pour être visibles sur les images de Voyager. Les petites lunes peuvent également être des réservoirs qui fournissent la poussière quittant le système d’anneaux.

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