Afin de compléter notre article du 20 février, portant sur l'observation récente d'Uranus par le télescope spatial James-Webb et les nouvelles informations qui en découlent concernant son atmosphère, sa température et son champ magnétique, nous avons interviewé Paola Tiranti, l'auteure de l'étude et chercheuse doctorante au sein du groupe espace et planètes de l'université de Northumbria.

Paola Tiranti nous explique qu'Uranus, en tant que géante glacée, offre un « laboratoire naturel » pour comprendre les atmosphères planétaires dans des conditions extrêmes. L'étude vise à répondre à des questions clés sur la façon dont les atmosphères acquièrent et perdent de l'énergie.

La chercheuse souligne les défis liés à l'interprétation des données, notamment l'extraction des spectres dans le proche infrarouge et les effets de la ligne de visée. Elle compare également l'atmosphère d'Uranus à celle de Jupiter et de Saturne, notant que bien qu'il existe des similarités, des différences notables apparaissent, notamment en ce qui concerne la géométrie magnétique et le refroidissement à long terme de l'atmosphère d'Uranus.

Enfin, elle évoque les futures observations prévues avec le JWST pour approfondir la compréhension des hautes atmosphères d'Uranus, de Neptune et d'autres géantes glacées. Ces recherches visent à éclairer le bilan énergétique de ces planètes et leurs implications pour l'étude des exoplanètes.

En janvier 2025, la planète Uranus a été observée par le JWST, fournissant ainsi un aperçu sans précédent de sa haute atmosphère et le portrait le plus détaillé à ce jour des aurores d'Uranus, révélant comment elles sont façonnées par son champ magnétique anormalement incliné. De plus, ces données mettent en lumière l'évolution continue du refroidissement de l'atmosphère de la planète au cours des trois dernières décennies. © ESA, Webb, Nasa, CSA, STScI, P. Tiranti, H. Melin, M. Zamani Zamani

Futura : Pourquoi étudier l'atmosphère d'Uranus ?

Paola Tiranti : Uranus est un « laboratoire naturel » qui permet de tester le fonctionnement des atmosphères planétaires dans des conditions extrêmes très différentes de celles de la Terre et de Jupiter et Saturne. C'est une géante glacée, éloignée du Soleil, avec une inclinaison axiale extrême et un champ magnétique inhabituellement incliné et décalé. Cette combinaison fait que sa haute atmosphère et ses aurores se comportent d'une manière que nous ne comprenons pas encore tout à fait.

L'étude d'Uranus nous aide à répondre à des questions plus vastes : comment les atmosphères planétaires acquièrent-elles et perdent-elles de l'énergie ? Comment réagissent-elles à la lumière du soleil et à la météo spatiale ? Et comment évoluent-elles au fil des décennies ? Ces questions sont importantes non seulement pour Uranus, mais aussi pour l'interprétation de nombreuses exoplanètes, car les planètes de la taille des géantes glacées sont courantes autour d'autres étoiles.

Futura : Quelles ont été les principales difficultés liées à l'interprétation des données NIRSpec, en particulier pour cartographier la température et la densité des ions ?

Paola Tiranti : Il y avait plusieurs difficultés majeures.

Extraction des spectres : dans le proche infrarouge, il faut tenir compte du bruit de fond des instruments, des effets des détecteurs et de la faiblesse des signaux. Pour obtenir la température et la densité, nous utilisons les raies d'émission H3+ (cation trihydrogène) et modélisons la façon dont les rapports et les intensités des raies dépendent de la température et de la quantité de H3+ présente. Le défi consiste à extraire un spectre H3+ propre partout, avec des incertitudes fiables, ce qui nécessite un nettoyage spectral minutieux et un ajustement du modèle.

Effets de la ligne de visée (observation du limbe) : nous observons à travers un long trajet atmosphérique au niveau du limbe. Le signal est une intégration le long de la ligne de visée, et non à une seule altitude. Pour récupérer un profil vertical, nous devons utiliser une approche d'inversion, qui est puissante mais sensible au bruit.

Futura : Pourriez-vous décrire brièvement les différences et les similitudes observées entre l'atmosphère d'Uranus et celles d'autres géantes gazeuses, telles que Jupiter et Saturne, en matière de structure ionosphérique et de dynamique aurorale ?

Paola Tiranti : En matière de similarités, je dirais que les trois planètes présentent du H3+ dans leur haute atmosphère, ce qui constitue un puissant indicateur des conditions ionosphériques et de l'apport énergétique. Dans tous les cas, il existe une « crise énergétique » de longue date : la haute atmosphère est nettement plus chaude que ne le justifie la seule lumière solaire.

Sur Jupiter, Saturne et Uranus, une source d'énergie supplémentaire (par exemple, des processus magnétosphériques, le réchauffement par les ondes ou la précipitation de particules) doit fournir de la chaleur supplémentaire pour maintenir les températures observées.

Uranus, a contrario, se distingue fortement par sa géométrie magnétique et sa configuration saisonnière. Jupiter et Saturne ont des champs magnétiques qui sont plus étroitement alignés avec leurs axes de rotation, ce qui conduit à des régions aurorales relativement stables. Le champ magnétique d'Uranus est fortement incliné et décalé, ce qui produit une interaction beaucoup plus asymétrique et variable avec les apports solaires.

Une autre différence majeure réside dans le refroidissement à long terme de la haute atmosphère. Contrairement à Jupiter et Saturne, où les températures de la haute atmosphère semblent relativement stables sur des périodes de plusieurs décennies, Uranus a montré des signes évidents de refroidissement soutenu au cours des trois dernières décennies. Des observations récentes suggèrent qu'une tendance similaire pourrait également se dessiner sur Neptune.

En 2023, des chercheurs de l’université de Leicester (Royaume-Uni) ont confirmé la formation d’aurores boréales infrarouges sur Uranus. © Université de Leicester  ; Nasa, ESA et M. Showalter (SETI Institute) pour les images d’arrière-plan d’Uranus

Futura : Vous mentionnez que l'atmosphère d'Uranus continue de se refroidir. Quels mécanismes pourraient expliquer cette tendance à long terme, et comment cela influence-t-il la dynamique atmosphérique actuelle ?

Paola Tiranti : Le refroidissement à long terme est l'une des grandes questions en suspens. Plusieurs mécanismes pourraient être en cause (et il pourrait s'agir d'une combinaison plutôt que d'une cause unique) : changements dans l'apport énergétique, circulation atmosphérique en tant que mécanisme de redistribution de l'énergie, effets saisonniers/géométriques.

La manière dont cela influence la dynamique : des températures plus froides réduisent la hauteur de l'atmosphère (l'atmosphère devient moins « gonflée »), ce qui peut modifier l'altitude à laquelle les ions atteignent leur pic, changer la structure de la densité et influencer la manière dont la haute atmosphère se couple à la magnétosphère et la facilité avec laquelle les gaz s'échappent dans l'espace.

En fin de compte, à ce jour, il n'y a toujours pas de réponse à la question de savoir pourquoi cette planète se refroidit.

Futura : Envisagez-vous de mener d'autres observations de la haute atmosphère d'Uranus ou d'autres géantes glacées. Si oui, dans quels buts ?

Paola Tiranti : C'est une période très excitante pour mener ce type de recherche, car le JWST (l'un des télescopes spatiaux infrarouges les plus puissants jamais construits) peut détecter des émissions extrêmement faibles provenant des hautes atmosphères des planètes géantes.

Les techniques développées pour cette étude, et précédemment pour Jupiter (Tiranti+ 2025), sont actuellement étendues à Saturne, où elles permettent de dériver des profils auroraux verticaux à partir du programme JWST n° 5308, et à Neptune, où une grande campagne d'observation vient de s'achever, consistant à observer les deux géantes glacées toutes les 48 heures pendant un mois (programme JWST n° 7570). Grâce à ces incroyables ensembles de données, il sera possible d'étudier la variabilité dans le temps de la structure verticale de la haute atmosphère de ces planètes et de répondre à certaines des questions encore en suspens.

Futura : Pouvez-vous expliquer en quoi vos découvertes contribuent à une meilleure compréhension du bilan énergétique des géantes glacées et pourquoi cela est important pour l'étude des exoplanètes ?

Paola Tiranti : L'H3+ est essentiel à l'étude du bilan énergétique, car c'est un traceur sensible de l'ionosphère, il réagit aux apports d'énergie et c'est un refroidisseur infrarouge clé. En mesurant comment la température et la densité du H3+ varient avec l'altitude (et à travers la planète), nous pouvons mieux quantifier où l'énergie est déposée et avec quelle efficacité la haute atmosphère se refroidit. Cela aide à construire et à valider des modèles qui peuvent être appliqués aux exoplanètes, pour lesquelles nous ne disposons souvent que de spectres à distance et avons besoin de données physiques fiables pour les interpréter.

Futura : Comment ces découvertes modifient-elles notre perspective sur la formation et l'évolution des atmosphères des planètes géantes de notre Système solaire et au-delà ?

Paola Tiranti : Grâce à ces résultats, nous pouvons commencer à mener le même type d'études aéromonologiques verticales détaillées que celles qui ont été réalisées sur Jupiter.

Ces résultats permettent de vérifier si les atmosphères supérieures des géantes glacées sont principalement contrôlées par la lumière solaire, par la puissance magnétosphérique ou par la dynamique interne, et donc comment cet équilibre évolue au fil du temps.