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"Ce changement était inattendu", explique Michael Roman, posdoctorant associé à l'Université de Leicester, au Royaume-Uni, et auteur principal de l'étude publiée aujourd'hui dans The Planetary Science Journal. "Comme nous avons observé Neptune au début de son été austral, nous nous attendions à ce que les températures se réchauffent lentement, et non à ce qu'elles se refroidissent."
Comme la Terre, Neptune connaît des saisons lorsqu'elle tourne autour du Soleil. Cependant, une saison de Neptune dure environ 40 ans, une année de Neptune durant 165 années terrestres. L'été est arrivé dans l'hémisphère sud de Neptune depuis 2005, et les astronomes étaient impatients de voir comment les températures changeaient après le solstice d'été austral.
Les astronomes ont examiné près de 100 images infrarouges thermiques de Neptune, prises sur une période de 17 ans, afin de reconstituer les tendances générales de la température de la planète de manière plus détaillée que jamais.
Ces données ont montré que, malgré l'arrivée de l'été austral, la plupart de la planète s'était progressivement refroidie au cours des deux dernières décennies. La température moyenne globale de Neptune a baissé de 8 °C entre 2003 et 2018.
Les astronomes ont ensuite été surpris de découvrir un réchauffement spectaculaire du pôle sud de Neptune au cours des deux dernières années de leurs observations, lorsque les températures ont rapidement augmenté de 11 °C entre 2018 et 2020. Bien que le vortex polaire chaud de Neptune soit connu depuis de nombreuses années, un réchauffement polaire aussi rapide n'avait jamais été observé auparavant sur la planète.
"Nos données couvrent moins de la moitié d'une saison de Neptune, donc personne ne s'attendait à voir des changements importants et rapides", explique le co-auteur Glenn Orton, chercheur principal au Jet Propulsion Laboratory (JPL) de Caltech aux États-Unis.
Les astronomes ont mesuré la température de Neptune à l'aide de caméras thermiques qui fonctionnent en mesurant la lumière infrarouge émise par les objets astronomiques. Pour leur analyse, l'équipe a combiné toutes les images existantes de Neptune recueillies au cours des deux dernières décennies par des télescopes terrestres. Ils ont étudié la lumière infrarouge émise par une couche de l'atmosphère de Neptune appelée stratosphère. Cela a permis à l'équipe de dresser un tableau de la température de Neptune et de ses variations pendant une partie de son été austral.
Parce que Neptune se trouve à environ 4,5 milliards de kilomètres et qu'elle est très froide, la température moyenne de la planète atteignant environ -220°C, mesurer sa température depuis la Terre n'est pas une tâche facile. "Ce type d'étude n'est possible qu'avec des images infrarouges sensibles provenant de grands télescopes comme le VLT qui peuvent observer clairement Neptune, et celles-ci ne sont disponibles que depuis une vingtaine d'années", explique le co-auteur Leigh Fletcher, professeur à l'université de Leicester.
Environ un tiers de toutes les images prises provenaient de l'instrument VISIR (VLT Imager and Spectrometer for mid-InfraRed) sur le VLT de l'ESO dans le désert d'Atacama au Chili. Grâce à la taille du miroir et à l'altitude du télescope, la résolution et la qualité des données sont très élevées, offrant ainsi les images les plus claires de Neptune. L'équipe a également utilisé les données du télescope spatial Spitzer de la NASA et des images prises avec le télescope Gemini Sud au Chili, ainsi qu'avec le télescope Subaru, le télescope Keck et le télescope Gemini Nord, tous situés à Hawaï.
Les variations de température de Neptune étant si inattendues, les astronomes ne savent pas encore ce qui a pu les provoquer. Elles pourraient être dues à des changements dans la chimie de la stratosphère de Neptune, à des phénomènes météorologiques aléatoires, ou même au cycle solaire. D'autres observations seront nécessaires dans les années à venir pour explorer les raisons de ces fluctuations. Les futurs télescopes terrestres comme l'ELT (Extremely Large Telescope) de l'ESO pourraient observer les changements de température de ce type de manière plus détaillée, tandis que le télescope spatial James Webb de la NASA/ESA/CSA fournira de nouvelles cartes sans précédent de la chimie et de la température de l'atmosphère de Neptune.
"Je pense que Neptune est en soi très intrigante pour beaucoup d'entre nous, car nous en savons encore très peu sur elle", déclare Michael Roman. "Tout cela laisse entrevoir une image plus complexe de l'atmosphère de Neptune et de la façon dont elle évolue avec le temps".