Moving on its eccentric orbit, Pluto is presently receding from the Sun ; between 1979 and 1999 it was inside Neptune’s orbit, but since then it has again been the planet most distant from the Sun. As it moves outward, the amount of solar energy that reaches its surface decreases, so its surface is expected to cool. Reality is not so simple though, as a team of the Observatoire de Paris with several collaborators showed that Pluto’s atmosphere is expanding, rather than contracting, a quite surprising results published in the 10 July 2003 issue of the journal Nature. : "Large changes in Pluto’s atmosphere as revealed by recent stellar occultations", by Sicardy et al. Although solid methane and carbon monoxide on the planet surface have been revealed several years ago by spectroscopic measurements, the existence of a tenuous Pluto’s atmosphere is much more difficult to ascertain. Even using the Very Large Telescope of the European Southern Observatory with adaptive optics, the planet appears only a few pixels wide, and the atmosphere is too tenuous anyway to show in such images. Also, Pluto is the only planet in the Solar System that has never been visited by a spacecraft (though a flyby mission is now in the construction phase, see the article by Alan Stern in the May 2002 issue of Scientific American), so that its detailed physical properties remain poorly known. So far, the only way to study Pluto’s atmosphere is to wait for the rare circumstance when the planet comes in front of a star. The latter is then used as a probe during a so-called "stellar occultation". If there were no atmosphere, the star would merely vanish when reaching the edge of the planet. With an atmosphere, however, there will be a gradual dimming of the starlight, as the stellar rays are increasingly refracted when traversing thicker and thicker amounts of gas, see the movie at the end. An occultation observed in 1988 revealed Pluto’s tenuous nitrogen atmosphere, whose deepest layers reach pressures of no more than a few microbars ; for comparison, the Earth atmosphere reaches one bar at the surface, so that Pluto’s atmosphere represents a few millionths of our atmosphere. This scarcity is explained by the fact that the solid nitrogen ice on the surface, with a temperature of 40-60 K, is at thermodynamical equilibrium with the nitrogen vapor above it. The 1988 occultation light curve showed a "knee" (see Fig. 3) that was interpreted as due to either a layer of haze, or to a sharp inversion layer 20-50 km above the surface. Numerous other attempts to observe occultations since then have failed. The first Pluto occultation successfully observed since 1988 occurred on 20 July 2002, during a campaign in South America organized in part by a team of Observatoire de Paris. The star dubbed "P126" went behind the planet as observed from the area between the dotted lines in Fig.1. Both large fixed telescopes and small portable instruments were used, with the participation of professional and amateur astronomers. A successful observation was made by the French team near Arica, in northern Chile (see the front picture), using a 30-cm portable telescope and a Audine digital camera. One month later, on 21 August 2002, another occultation (of the star "P131.1") was successfully observed from large telescopes in Mauna Kea (Fig. 2), and in particular with the Canada-France-Hawaii 3.6-m Telescope (CFHT), yielding high quality data. As seen in the figure below, the "knee" observed in the 1988 data is absent from the 2002 data, revealing immediately that large changes in Pluto’s atmosphere occurred during the intervening time. Further analysis of the data reveals that the pressure in Pluto’s atmosphere more than doubled between 1988 and 2002. One might naively expect an overall collapse of the atmosphere : the gases should freeze onto the surface as the planet moves farther from the Sun and cools. Seasonal variations, however, might well overcome this tendency and explain the present expansion. Candice Hansen of the Jet Propulsion Laboratory and David Paige of UCLA proposed in 1996 (Icarus, volume 120, p 247) that there would be a period in Pluto’s orbit - shortly after perihelion - when the south polar cap of the planet comes into sunlight after spending more than 120 years in darkness. This happened in 1987, and the sublimation of the solid nitrogen accumulated in this region would then feed the atmosphere, while it would take some time for the north polar cap, in darkness since 1987, to re-condense this excess of gas. Hansen and Paige’s model then predicts that this expansion will last till 2015 or so, before the atmosphere shrinks again. More complications may arise as the albedo of the planet (the percentage of light reflected by the surface) probably varies during the whole process, thus changing the surface temperature, and by the same way, the amount of nitrogen sublimated into the atmosphere. Nevertheless, these kinds of models seem to adequately capture the physics of hemispheric gas exchange on Pluto. Finally, "spikes" in the P131.1 light curve (see Fig. 3) reveal a dynamical activity in Pluto’s atmosphere. The spikes are caused by small atmospheric temperature and density fluctuations, maintained either by strong winds between the lit and dark hemisphere of the planet, or by convection near the surface of Pluto. Now, have a look to the P131.1 occultation movie below ! The movie simulates what would have be observed with a very big telescope (of the class 50-m !) during the P131.1 occultation at Hawaii. As Pluto gets closer to the star, the latter gradually dims, due to the differential refraction of stellar rays. Simultaneously, the stellar image is deviated along the planet limb. Note the strong fluctuations of signal (the spikes) at the beginning and at the end of the event, caused by small temperature fluctuations in Pluto’s atmosphere.

pluto.avi pluto.mpeg click inside to download or to start Left : avi movie (1Mb). | Middle : gif movie (800Kb). | Right : mpeg movie (2Mb).

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Reference B. Sicardy, T. Widemann, E. Lellouch, C. Veillet, J.-C. Cuillandre, F. Colas, F. Roques, W. Beisker, M. Kretlow, A.-M. Lagrange, E. Gendron, F. Lacombe, J. Lecacheux, C. Birnbaum, A. Fienga, C. Leyrat, A. Maury, E. Raynaud, S. Renner, M. Schultheis K. Brooks, A. Delsanti, O.R. Hainaut, R. Gilmozzi, C. Lidman, J. Spyromilio, M. Rapaport, P. Rosenzweig, O. Naranjo, L. Porras F. Díaz, H. Calderòn, S. Carrillo, A. Carvajal, E. Recalde, L. Gaviria Cavero, C. Montalvo, D. Barría, R. Campos, R. Duffard & H. Levato : 2003 Drastic expansion of Pluto’s atmosphere as revealed by stellar occultations, Nature, 10 July 2003

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Contact :

Bruno Sicardy (Observatoire de Paris, LESIA) Thomas Widemann (Observatoire de Paris, LESIA) 

Dernière modification le 4 mars 2013

Se déplaçant sur une orbite excentrique, Pluton s’éloigne actuellement du soleil ; de 1979 à 1999 il se trouvait à l’intérieur de l’orbite de Neptune, mais depuis il est de nouveau la planète la plus éloignée du soleil. En s’éloignant du soleil, l’énergie solaire atteignant Pluton décroît, ainsi la surface de la planète devrait se refroidir, et son atmosphère ténue devrait se contracter. La réalité est plus complexe car, comme l’a montré une équipe de l’Observatoire de Paris et ses collaborateurs, l’atmosphère de Pluton est actuellement en forte expansion, au lieu de la contraction attendue, ces résultats sont publiés dans le numéro du 10 juillet 2003 de la revue Nature :"Large changes in Pluto’s atmosphere as revealed by recent stellar occultations", Bruno Sicardy et al. Bien que le méthane et le monoxyde de carbone solides aient été mis en évidence il y a plusieurs années à la surface de Pluton par des mesures spectroscopiques, l’existence d’une atmosphère ténue autour de Pluton est beaucoup plus difficile à prouver.Même à l’aide des techniques d’optique adaptative du Very Large Telescope de l’Observatoire Européen Austral, la planète ne mesure que quelques pixels de large, et l’atmosphère est trop ténue et trop sombre pour apparaître. Par ailleurs, Pluton est la seule planète du système solaire qui n’a jamais été visitée par une sonde spatiale (toutefois une mission de survol est actuellement en phase de construction, cf. un article d’Alan Stern dans le numéro de Mai 2002 de la revue Scientific American), ainsi ses propriétés physiques détaillées restent mal connues.A ce jour, l’unique moyen d’étudier l’atmosphère de Pluton est d’attendre la circonstance exceptionnelle durant laquelle la planète s’interpose devant une étoile. Cette dernière joue alors le rôle d’une source lumineuse située à l’arrière de la planète. S’il n’y avait pas d’atmosphère, la lumière de l’étoile disparaîtrait subitement pour réapparaître quelques minutes plus tard une fois la planète passée. En revanche, avec la présence d’une atmosphère même ténue, l’étoile ne disparaît ou ne réapparaît que progressivement, ses rayons étant d’autant plus réfractés que ceux-ci traversent de plus grandes épaisseurs de gaz, voyez le film de simulation présenté ci-dessous.Une occultation observée en 1988 a révélé que Pluton possède une atmosphère d’azote extrêmement ténue, dont les couches les plus denses ne dépassent pas un niveau de pression de quelques microbars ; à titre de comparaison, la pression au sol de l’atmosphère terrestre est de 1 bar, celle de Mars est de 6 millibars, ce qui signifie que la pression atmosphérique sur Pluton est de quelques millionnièmes de la pression terrestre, et d’environ un demi-millième de la pression martienne. Cette ténuité s’explique par le fait que la glace d’azote solide à la surface de Pluton, à une température extrêmement faible de 40 à 60 K (-233 à -213 °C), est en équilibre thermodynamique avec la vapeur d’azote.L’occultation de 1988 a produit ce qu’on nomme la "courbe de lumière" de l’étoile occultée. Cette courbe, représentée sur la figure 3, montre un léger décrochage, en forme de "genou", qui a été interprétée à l’époque comme dû soit à la présence de poussières absorbantes, soit à une forte inversion de température, dans les deux cas à 20-50 km de la surface. Depuis d’autres tentatives d’observation d’occultations par Pluton ont échoué. La première observation réussie d’une occultation depuis 1988 a eu lieu le 20 juillet 2002, au cours d’une campagne en Amérique du Sud conduite par notre équipe de l’Observatoire de Paris. L’occultation d’une étoile nommée pour la circonstance "P126" (ce qui signifie 126e prévision d’occultation d’une étoile par Pluton) fut observée dans la bande située entre les lignes pointillées représentées sur la figure 1.De grands et petits télescopes furent mobilisés pour l’occasion, avec la participation d’astronomes professionnels et d’astronomes amateurs. L’observation fut un succès pour notre équipe mobile située à proximité d’Arica, dans le nord du Chili (voir l’image d’introduction), qui a mis en place un télescope mobile de 30 cm et effectué l’observation à l’aide d’une caméra numérique de type Audine. Un mois plus tard, par une coïncidence de calendrier, aucune occultation n’ayant auparavant pu être observée depuis 1988, une seconde occultation, par une autre étoile nommée "P131.1", a pu être observée par notre équipe depuis l’Observatoire Canada-France-Hawaii (CFHT) du Mauna Kea, avec une qualité évidemment supérieure aux moyens mobiles mis en oeuvre le mois précédent. Comme on peut le voir sur la figure ci-dessous, le "genou" observé dans la courbe de lumière des données de 1988 est absent des données de 2002, ce qui révèle des changements très importants survenus dans l’intervalle, dans l’atmosphère de Pluton.Une analyse plus complète des données révèlent que la pression dans l’atmosphère de Pluton a plus que doublé dans l’intervalle 1988-2002. On aurait pu s’attendre naïvement à un effondrement de la pression mesurée en 1988, les gaz ténus ayant au moins en partie gelé à la surface au fur et à mesure que la planète s’éloigne du Soleil et se refroidit. Les variations saisonnières, au contraire, peuvent contrarier cette tendance et expliquer l’expansion actuelle. Candice Hansen du Jet Propulsion Laboratory et David Paige de UCLA ont proposé en 1996 (Icarus, vol. 120, p. 247) qu’il pourrait y avoir une période de l’orbite de Pluton, située après le périhélie, durant laquelle la calotte polaire sud de la planète se tourne vers le soleil après 120 années passées dans l’obscurité complète. Ceci s’est produit en 1987, et la sublimation (= terme signifiant évaporation d’un solide) de l’azote solide accumulé dans cette région irait alors enrichir l’atmosphère, tandis qu’il faudrait plus de temps à la calotte polaire nord, dans l’obscurité depuis 1987 seulement, pour recondenser cet excès de gaz. Hansen et Paige ont prédit dans leur modèle que l’expansion durera jusqu’aux alentours de 2015, avant que l’atmosphère ne se rétracte à nouveau.Des complications peuvent se faire jour si l’on tient compte du fait que l’albédo de la planète (le pourcentage de lumière solaire réfléchie à sa surface) varie probablement au cours du processus, modifiant ainsi la température de surface et en conséquence, la quantité d’azote produite dans l’atmosphère. Néanmoins ces modèles semblent cerner avec pertinence la physique des échanges de gaz entre les deux hémisphères de Pluton.Enfin, des variations soudaines de l’intensité lumineuse dans la courbe de lumière de l’étoile occultée ("spikes") témoignent d’une activité dynamique dans l’atmosphère de Pluton. Ces "spikes" sont produits par des petites variations de température et de densité dans l’atmosphère, maintenues soit par des vents importants soufflant de l’hémisphère éclairé vers l’hémisphère nocturne de Pluton, soit par des mécanismes de convection au voisinage de la surface. Nous vous proposons d’observer le film de l’occultation de P131.1. Le film basé sur les données réelles simule l’occultation telle qu’elle aurait pu être observée à l’aide d’un téléscope géant (de diamètre 50m !) durant l’observation de l’occulation de P131.1 à Hawaii. Au fur et à mesure que Pluton se rapproche de l’étoile, l’éclat de celle-ci s’atténue, du fait de la réfraction différentielle des rayons issus de l’étoile dans l’atmosphère de Pluton. Simultanément, l’image de l’étoile est déviée, le long du limbe de la planète. On notera les fortes fluctuations de signal (les "spikes") au début et à la fin de l’événement, qui témoignent de petites fluctuations de température dans l’atmosphère de Pluton. ----
Référence B. Sicardy, T. Widemann, E. Lellouch, C. Veillet, J.-C. Cuillandre, F. Colas, F. Roques, W. Beisker, M. Kretlow, A.-M. Lagrange, E. Gendron, F. Lacombe, J. Lecacheux, C. Birnbaum, A. Fienga, C. Leyrat, A. Maury, E. Raynaud, S. Renner, M. Schultheis K. Brooks, A. Delsanti, O.R. Hainaut, R. Gilmozzi, C. Lidman, J. Spyromilio, M. Rapaport, P. Rosenzweig, O. Naranjo, L. Porras F. Díaz, H. Calderòn, S. Carrillo, A. Carvajal, E. Recalde, L. Gaviria Cavero, C. Montalvo, D. Barría, R. Campos, R. Duffard & H. Levato : 2003 Drastic expansion of Pluto’s atmosphere as revealed by stellar occultations, Nature, 10 July 2003

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Contact :

Bruno Sicardy (Observatoire de Paris, LESIA) Thomas Widemann (Observatoire de Paris, LESIA) 

Dernière modification le 22 février 2013