L’analyse récente d’une occultation stellaire (Figure 1) nous a permis de contraindre le rayon, l’aplatissement et la densité à une précision supérieure à celle obtenue lors du passage de la sonde Voyager-II près d’Uranus en 1986. Le rayon de Titania est en particulier déterminé à une précision sub-kilométrique, 788.4 ± 0.6 km. L’écart des mesures entre les observateurs, amateurs ou professionnels, peut être attribuée non à l’incertitude sur la méthode, mais à la topographie du satellite (Figure 2).

Figure 1 : Trajectoire de l’ombre de Titania sur Terre le 8 septembre 2001. Les étoiles indiquent la position géographique des stations ayant observé l’occultation stellaire sur trois continents, parmi lesquelles des observations visuelles conduites par des amateurs. Cliquer sur l’image pour l’agrandir

La spectroscopie dans le domaine du proche infrarouge indique la présence de glace d’eau et de glace de CO2 à la surface du Titania. Le rayonnement solaire pourrait être susceptible de produire une atmosphère ténue, saisonnière, issue de la sublimation de la glace de CO2. Nous avons pu établir une limite supérieure de 10 à 20 nanobars (1) de pression pour une telle atmosphère (Figure 3), ainsi que pour d’autres constituants tels CH4 ou N2, qui pourraient résulter de chauffage interne et cryovolcanisme (2), comme sur Encelade (satellite de Saturne) ou Triton (satellite de Neptune).

Figure 2 : Les différentes cordes d’occultation ont permis de déterminer le rayon de Titania, 788.4 ± 0.6 km, améliorant la valeur obtenue lors de la mission Voyager, 788.9 ± 1.8 km. La précision est limitée non par l’incertitude de mesure, mais par la topographie du satellite, qui montre des failles et des escarpements de l’ordre du kilomètre, conduisant à cet histogramme des valeurs obtenues par 27 stations. Titania se trouvait alors à 2,85 milliards de kilomètres de la Terre. En arrière-plan : Image de Titania obtenue à partir de Voyager-II en 1986. Cliquer sur l’image pour l’agrandir

Ces valeurs, très faibles, démontrent la capacité de la méthode d’occultations pour contraindre la pression de surface d’un objet lointain à des niveaux mille fois inférieurs aux pressions actuellement mesurées sur Triton et Pluton. Cette précision est très prometteuse pour la recherche d’une éventuelle atmosphère autour d’un gros objet transneptunien (OTN), tels Eris, Makemake ou Quaoar, distants de 40 à 70 UA (3) : à la surface de ces objets on a identifié des glaces volatiles, qui pourraient sublimer lorsque le corps se trouve dans la partie de son orbite la plus proche du soleil. Or à cette distance les glaces sont pratiquement stables à l’échelle de l’âge du système solaire, et constituent un réservoir important pour la constitution d’une atmosphère.

Figure 3 : En présence d’une atmosphère même ténue, l’intensité lumineuse de l’étoile est sensible à la variation de réfraction, fonction du profil vertical de température et du constituant. L’effet géométrique de la réfraction du signal stellaire pour un niveau de pression donné est inversement proportionnel à la distance. Compte-tenu des limites supérieures obtenues pour Titania, situé à 19 UA, on s’attend à pouvoir contraindre lors d’une occultation la présence d’une atmosphère autour des grands OTN au niveau de quelques nanobars, soit un milliardième de la pression terrestre. Cliquer sur l’image pour l’agrandir

Ces recherches sont conduites dans le cadre du programme ANR (Agence Nationale de la Recherche) Beyond Neptune en 2009-2012 (Observatoire de Paris-LESIA, SARL Shelyak Instruments (France), Observatoire de Haute-Provence, National Tsing Hua University, Taïwan), avec le soutien de l’Observatoire de Paris et du Programme national de planétologie (CNRS/INSU).

(1) 1 nanobar = 1 milliardième de la pression atmosphérique terrestre = 0,1 milli-pascal

(2) Le cryovolcanisme (ou volcanisme de glace) est l’éruption d’éléments volatils, à l’état liquide ou gazeux, accompagné ou non de particules solides, sous l’effet du chauffage interne d’une planète ou d’un satellite dont la surface est recouverte de glaces à très basse température (ex. Triton, Encelade).

(3) UA = unité astronomique = distance Soleil-Terre, 149,6 millions de km.

Référence

Titania’s Radius and an Upper Limit on its Atmosphere from the September 8, 2001 Stellar Occultation T. Widemann, B. Sicardy, R. Dusser, C. Martinez, W. Beisker, E. Bredner, D. Dunham, P. Maley, E. Lellouch, J.-E. Arlot, J. Berthier, F. Colas, W.B. Hubbard, R. Hill, J. Lecacheux, J.-F. Lecampion, S. Pau, M. Rapaport, F. Roques, W. Thuillot, C.R. Hills, A.J. Elliott, R. Miles, T. Platt, C. Cremaschini, P. Dubreuil, C. Cavadore, C. Demeautis, P. Henriquet, O. Labrevoir, G. Rau, J.-F. Coliac, J. Piraux, Ch. Marlot, C. Marlot, F. Gorry, C. Sire, B. Bayle, E. Simian, A.M. Blommers, J. Fulgence, C. Leyrat, C. Sauzeaud, B. Stephanus, T. Rafaelli, C. Buil, R. Delmas, V. Desnoux, C. Jasinski, A. Klotz, D. Marchais, M. Rieugnié, G. Bouderand, J.-P. Cazard, C. Lambin, P.O. Pujat, F. Schwartz, P. Burlot, P. Langlais, S. Rivaud, E. Brochard, Ph. Dupouy, M. Lavayssière, O. Chaptal, K. Daiffallah, C. Clarasso-Llauger, J. Aloy Doménech, M. Gabaldá-Sánchez, X. Otazu-Porter, D. Fernández, E. Masana, A. Ardanuy, R. Casas, J.A. Ros, F. Casarramona, C. Schnabel, A. Roca, C. Labordena, O. Canales-Moreno, V. Ferrer, L. Rivas, J.L. Ortiz, J. Fernández-Arozena, L.L. Martín-Rodríguez, A. Cidadão, P. Coelho, P. Figuereido, R. Gonçalves, C. Marciano, R. Nunes, P. Ré, C. Saraiva, F. Tonel, J. Clérigo, C. Oliveira, C. Reis, B.M. Ewen-Smith, S. Ward, D. Ford, J. Gonçalves, J. Porto, J. Laurindo Sobrinho, F. Teodoro de Gois, M. Joaquim, J. Afonso da Silva Mendes, E. van Ballegoij, R. Jones, H. Callender, W. Sutherland, S. Bumgarner, M. Imbert, B. Mitchell, J. Lockhart, W. Barrow, D. Cornwall, A. Arnal, G. Eleizalde, A. Valencia,V. Ladino, T. Lizardo, C. Guillén, G. Sánchez, A. Peña, S. Radaelli, J. Santiago, K. Vieira, H. Mendt, P. Rosenzweig, O. Naranjo, O. Contreras, F. Díaz, E. Guzmán, F. Moreno, L. Omar Porras, E. Recalde, M. Mascaró, C. Birnbaum, R. Cósias, E. López, E. Pallo, R. Percz, D. Pulupa, X. Simbaña, A. Yajamín, P. Rodas, H. Denzau, M. Kretlow, P. Valdés Sada, R. Hernández, A. Hernández, B. Wilson, E. Castro, J.M. Winkel 2009, Icarus 199, Vol. 2, pp. 458-476 (February 2009).

Contact

Thomas Widemann (Observatoire de Paris, LESIA, et Université de Versailles Saint-Quentin)

Dernière modification le 22 février 2013

Recent analysis of a stellar occultation (Figure 1) allowed us to constrain the radius, oblateness and density at better accuracy than the Voyager-II flyby obtained in 1986. In particular, we determine the radius at a sub-kilometer precision of 788.4 ± 0.6 km. The spread of measurements between observers, both amateurs and professionals, is dominated by Titania’s topography, not by method uncertainties (Figure 2).

Figure 1 : Trajectoire de l’ombre de Titania sur Terre le 8 septembre 2001. Les étoiles indiquent la position géographique des stations ayant observé l’occultation stellaire sur trois continents, parmi lesquelles des observations visuelles conduites par des amateurs. Cliquer sur l’image pour l’agrandir

Near-IR spectroscopy has indicated the presence of water ice and carbon dioxide ice on the surface of Titania. Solar radiation may cause a tenuous, seasonal atmosphere induced by CO2 ice sublimation. We could determine a surface pressure upper limit of 10-20 nanobars (1) for such an atmosphere (Figure 3), as well as for other constituents like CH4 or N2, which could result of outgassing associated with internal heating and cryovolcanism (2), as on Enceladus (a Saturn’s satellite) or Triton (a Neptune’s satellite).

Figure 2 : Les différentes cordes d’occultation ont permis de déterminer le rayon de Titania, 788.4 ± 0.6 km, améliorant la valeur obtenue lors de la mission Voyager, 788.9 ± 1.8 km. La précision est limitée non par l’incertitude de mesure, mais par la topographie du satellite, qui montre des failles et des escarpements de l’ordre du kilomètre, conduisant à cet histogramme des valeurs obtenues par 27 stations. Titania se trouvait alors à 2,85 milliards de kilomètres de la Terre. En arrière-plan : Image de Titania obtenue à partir de Voyager-II en 1986. Cliquer sur l’image pour l’agrandir

Those very small values demonstrate the power of stellar occultations to put pressure upper limits at a distance of 19 UA (3) down to levels of about 10 nanobars, much more tenuous than current pressures on Pluto or Triton, by typical factors of 1000. This is promising in view of the detection of volatile ices on several transneptunian objects, at a distance of 40-70 AU. CH4 has been clearly detected on dwarf planets Eris, Makemake and Quaoar, while the presence of N2 on Eris is indirectly suggested. At those distances these ices are marginally stable over the age of the Solar System, and therefore constitute a significant reservoir for atmospheric formation.

Figure 3 : En présence d’une atmosphère même ténue, l’intensité lumineuse de l’étoile est sensible à la variation de réfraction, fonction du profil vertical de température et du constituant. L’effet géométrique de la réfraction du signal stellaire pour un niveau de pression donné est inversement proportionnel à la distance. Compte-tenu des limites supérieures obtenues pour Titania, situé à 19 UA, on s’attend à pouvoir contraindre lors d’une occultation la présence d’une atmosphère autour des grands OTN au niveau de quelques nanobars, soit un milliardième de la pression terrestre. Cliquer sur l’image pour l’agrandir

This research acknowledges Agence Nationale de la Recherche’s grant « Beyond Neptune » in 2009-2012 (Observatoire de Paris-LESIA, SARL Shelyak Instruments (France), Observatoire de Haute-Provence, National Tsing Hua University, Taiwan), and support from Observatoire de Paris and Programme national de planétologie (CNRS/INSU). (1) 1 nanobar= 1 billionth of the Earth’s surface atmospheric pressure = 0.1 milli-pascal (2) cryovolcanism (icy volcanism) : eruption of water and other liquid or vapor-phase volatiles, together with gas-driven solid fragments, onto the icy surface of a low-temperature planet or satellite due to internal heating (e.g. Triton, Encelade). (3) AU = astronomical unit = Sun-Earth distance, 149.6 millions km.

Reference

Titania’s Radius and an Upper Limit on its Atmosphere from the September 8, 2001 Stellar Occultation T. Widemann, B. Sicardy, R. Dusser, C. Martinez, W. Beisker, E. Bredner, D. Dunham, P. Maley, E. Lellouch, J.-E. Arlot, J. Berthier, F. Colas, W.B. Hubbard, R. Hill, J. Lecacheux, J.-F. Lecampion, S. Pau, M. Rapaport, F. Roques, W. Thuillot, C.R. Hills, A.J. Elliott, R. Miles, T. Platt, C. Cremaschini, P. Dubreuil, C. Cavadore, C. Demeautis, P. Henriquet, O. Labrevoir, G. Rau, J.-F. Coliac, J. Piraux, Ch. Marlot, C. Marlot, F. Gorry, C. Sire, B. Bayle, E. Simian, A.M. Blommers, J. Fulgence, C. Leyrat, C. Sauzeaud, B. Stephanus, T. Rafaelli, C. Buil, R. Delmas, V. Desnoux, C. Jasinski, A. Klotz, D. Marchais, M. Rieugnié, G. Bouderand, J.-P. Cazard, C. Lambin, P.O. Pujat, F. Schwartz, P. Burlot, P. Langlais, S. Rivaud, E. Brochard, Ph. Dupouy, M. Lavayssière, O. Chaptal, K. Daiffallah, C. Clarasso-Llauger, J. Aloy Doménech, M. Gabaldá-Sánchez, X. Otazu-Porter, D. Fernández, E. Masana, A. Ardanuy, R. Casas, J.A. Ros, F. Casarramona, C. Schnabel, A. Roca, C. Labordena, O. Canales-Moreno, V. Ferrer, L. Rivas, J.L. Ortiz, J. Fernández-Arozena, L.L. Martín-Rodríguez, A. Cidadão, P. Coelho, P. Figuereido, R. Gonçalves, C. Marciano, R. Nunes, P. Ré, C. Saraiva, F. Tonel, J. Clérigo, C. Oliveira, C. Reis, B.M. Ewen-Smith, S. Ward, D. Ford, J. Gonçalves, J. Porto, J. Laurindo Sobrinho, F. Teodoro de Gois, M. Joaquim, J. Afonso da Silva Mendes, E. van Ballegoij, R. Jones, H. Callender, W. Sutherland, S. Bumgarner, M. Imbert, B. Mitchell, J. Lockhart, W. Barrow, D. Cornwall, A. Arnal, G. Eleizalde, A. Valencia,V. Ladino, T. Lizardo, C. Guillén, G. Sánchez, A. Peña, S. Radaelli, J. Santiago, K. Vieira, H. Mendt, P. Rosenzweig, O. Naranjo, O. Contreras, F. Díaz, E. Guzmán, F. Moreno, L. Omar Porras, E. Recalde, M. Mascaró, C. Birnbaum, R. Cósias, E. López, E. Pallo, R. Percz, D. Pulupa, X. Simbaña, A. Yajamín, P. Rodas, H. Denzau, M. Kretlow, P. Valdés Sada, R. Hernández, A. Hernández, B. Wilson, E. Castro, J.M. Winkel 2009, Icarus 199, Vol. 2, pp. 458-476 (February 2009).

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Thomas Widemann (Observatoire de Paris, LESIA, et Université de Versailles Saint-Quentin)

Dernière modification le 4 mars 2013