Satellites naturels d'Uranus

Uranus, la septième planète du système solaire, possède 27 satellites naturels connus. Ces satellites tirent leurs noms des personnages des œuvres de William Shakespeare et Alexander Pope. William Herschel découvrit les deux premières lunes, Titania et Obéron en 1787 tandis que les autres lunes en équilibre hydrostatique furent découvertes par William Lassell en 1851 (Ariel et Umbriel) et Gerard Kuiper en 1948 (Miranda). Les autres lunes furent découvertes après 1985, pour certaines durant le survol de Voyager 2 et pour les autres par des télescopes au sol.

Les satellites d'Uranus sont divisés en trois groupes : treize satellites intérieurs, cinq satellites majeurs et neuf satellites irréguliers. Les satellites intérieurs sont de petits corps sombres qui ont des caractéristiques et une origine communes avec les anneaux de la planète. Les cinq satellites majeurs ont une masse suffisante pour être en équilibre hydrostatique et quatre présentent à la surface des signes d'activité interne tels que la formation de canyons ou du volcanisme. Le plus grand satellite d'Uranus, Titania, est le huitième plus grand du système solaire avec un diamètre de 1 578 km, mais est vingt fois moins massif que la Lune. Les satellites irréguliers d'Uranus ont des orbites elliptiques et fortement inclinées (en majorité rétrogrades) et orbitent à de grandes distances de la planète.

William Herschel découvrit les deux premiers satellites (Titania et Obéron) le 11 janvier 1787, six ans après avoir découvert Uranus. Dans les années suivantes, Herschel crut découvrir quatre satellites supplémentaires (voir paragraphe suivant) et peut-être un anneau. Durant une cinquantaine d'années, Herschel fut le seul à avoir observé les satellites d'Uranus. Durant les années 1840, de meilleurs instruments et la position favorable d'Uranus dans le ciel permirent des observations suggérant la présence de lunes supplémentaires. Ariel et Umbriel furent découvertes par William Lassell en 1851. La numérotation des lunes d'Uranus en chiffres romains resta incertaine durant très longtemps et les publications hésitèrent entre la numérotation de Herschel (dans laquelle Titania et Obéron sont II et IV) et celle de Lassell (où ils sont parfois I et II). Avec la confirmation de l'existence d'Ariel et d'Umbriel, Lassell attribua les numéros I à IV par ordre croissant de distance à Uranus. Cette convention fut finalement adoptée. En 1852, le fils de Herschel, John Herschel attribua des noms aux quatre lunes d'Uranus alors connues.

Aucun autre satellite ne fut découvert durant le siècle suivant. En 1948, Gerard Kuiper découvrit Miranda, le plus petit et le dernier des cinq grands satellites sphériques d'Uranus, à l'observatoire McDonald. Des décennies plus tard, le survol d'Uranus par la sonde Voyager 2 en janvier 1986 permit d'identifier dix lunes intérieures. Puck fut découvert dès la fin de l'année 1985, puis dans le courant de janvier 1986, Juliette, Portia, Cressida, Desdémone, Rosalinde, Belinda, Cordélia, Ophélie et Bianca. Un autre satellite, Perdita, fut découvert en 1999 en étudiant de vieux clichés Voyager 2 (découverte publiée en 2001). Caliban et Sycorax furent découverts par des télescopes terrestres en 1997. Setebos, Stephano et Prospero le furent en 1999, Trinculo, Francisco et Ferdinand en 2001, Margaret, Mab et Cupid en 2003.

Uranus fut la dernière planète géante sans satellite naturel irrégulier connu. Depuis 1997, neuf satellites irréguliers extérieurs ont été identifiés à l'aide de télescopes au sol. Deux lunes intérieures supplémentaires, Cupid et Mab, ont été découvertes grâce au télescope spatial Hubble en 2003. Le satellite Margaret est le dernier découvert à ce jour (2008) ; sa découverte fut publiée en octobre 2003

Fausse découverte de quatre satellites supplémentaires par Herschel

Après que Herschel eut découvert Titania et Obéron le 11 janvier 1787, il crut avoir identifié quatre satellites supplémentaires, deux en 1790 (18 janvier et 9 février) et deux en 1794 (28 février et 26 mars). Durant plusieurs décennies, les astronomes crurent qu'Uranus avait six satellites, bien que les quatre derniers n'aient jamais été observés par d'autres astronomes. En 1851, William Lassell découvrit Ariel et Umbriel ce qui invalidait les observations de Herschel. En effet, Herschel aurait dû découvrir Ariel et Umbriel s'il avait effectivement découvert quatre satellites supplémentaires, mais les paramètres orbitaux d'Ariel et d'Umbriel ne correspondent pas à ceux de ces quatre satellites. Selon Herschel, les quatre satellites avaient des périodes sidérales de 5,89 jours (entre Uranus et Titania), 10,96 jours (entre Titania et Obéron), 38,08 et 107,69 jours (au-delà d'Obéron). Les astronomes conclurent que les quatre satellites supplémentaires découverts par Herschel n'existaient pas, Herschel ayant peut-être pris pour des satellites de petites étoiles se trouvant dans le voisinage d'Uranus. La découverte d'Ariel et d'Umbriel fut donc attribuée à Lassell.

Les deux premières lunes d'Uranus furent découvertes en 1787 mais ne reçurent pas de nom avant 1852, un an après que deux lunes supplémentaires eurent été découvertes. C'est John Herschel, fils du découvreur d'Uranus, qui eut la responsabilité de les baptiser. John Herschel ne choisit pas les noms dans la mythologie grecque comme c'était souvent le cas mais parmi les esprits magiques de la littérature anglaise : les fées Obéron et Titania dans Le Songe d'une nuit d'été de William Shakespeare et les sylphes Ariel et Umbriel dans La Boucle de cheveux enlevée d'Alexander Pope (Ariel est également un esprit dans La Tempête de Shakespeare). John Herschel aurait en effet estimé qu'il était logique qu'Uranus, dieu du ciel et de l'air, soit accompagné d'esprits de l'air.

Les noms des satellites découverts au XX siècle ne suivent pas le thème des esprits de l'air (à l'exception de Puck et Mab). Les noms sont désormais choisis dans les œuvres utilisées par Herschel. Miranda, découverte en 1949, fut nommée par son découvreur Gerard Kuiper d'après un personnage mortel de La Tempête de Shakespeare. La pratique actuelle de l'Union astronomique internationale consiste à tirer les noms des satellites des personnages des pièces de Shakespeare et de La Boucle de cheveux enlevée : seuls Ariel, Umbriel et Belinda ont des noms issus de cette dernière pièce, tous les autres ont pour origine les œuvres de Shakespeare. À l'origine, toutes les lunes extérieures devaient leur nom à une pièce, La Tempête. Cependant, cette tendance s'est arrêtée car Margaret est nommée d'après Beaucoup de bruit pour rien.

• La Boucle de cheveux enlevée (un poème d'Alexander Pope):
• Ariel, Umbriel, Belinda
• Pièces de William Shakespeare:
• Le Songe d'une nuit d'été: Titania, Obéron, Puck
• La Tempête: (Ariel), Miranda, Caliban, Sycorax, Prospero, Setebos, Stephano, Trinculo, Francisco, Ferdinand
• Le Roi Lear : Cordélia
• Hamlet: Ophélie
• La Mégère apprivoisée: Bianca
• Troïlus et Cressida: Cressida
• Othello: Desdémone
• Roméo et Juliette: Juliette, Mab
• Le Marchand de Venise: Portia
• Comme il vous plaira : Rosalinde
• Beaucoup de bruit pour rien : Margaret
• Le Conte d'hiver: Perdita
• Timon d'Athènes: Cupid

Plusieurs lunes d'Uranus partagent leur nom avec des astéroïdes : (171) Ophélie, (218) Bianca, (593) Titania, (666) Desdémone, (763) Cupidon et (2758) Cordelia.

Le système de satellites de la planète Uranus est moins massif que ceux des trois autres géantes gazeuses. La masse combinée de ses cinq satellites majeurs est inférieure à la moitié de celle de Triton, la septième plus grande lune du système solaire. Le rayon du plus grand satellite, Titania, est de 788,9 km, soit la moitié de celui de la Lune, mais légèrement plus élevé que la moitié de celui de Rhéa, la deuxième plus grande lune de Saturne ; Titania est le huitième plus grand satellite du système solaire. La masse d'Uranus est d'environ 10 000 fois celle de ses lunes.

Lunes intérieures

À l'heure actuelle (2008), treize satellites intérieurs ont été détectés autour d'Uranus. Leur orbite est située à l'intérieur de celle de Miranda. Toutes les lunes intérieures sont fortement liées aux anneaux d'Uranus qui sont probablement issus de la fragmentation d'une ou plusieurs lunes intérieures. Les deux lunes les plus intérieures (Cordélia et Ophélie) sont des « bergers » pour l'anneau ε d'Uranus, tandis que la petite lune Mab est probablement la source de l'anneau µ, le plus extérieur.

Puck est de loin le plus grand satellite intérieur d'Uranus avec un diamètre de 162 km et le seul pour lequel les photos prises par Voyager 2 montre des détails. Puck et Mab sont les deux plus externes des satellites intérieurs d'Uranus. Toutes les lunes intérieures sont des objets sombres : leur albédo géométrique est inférieur à 10 %. Elles sont composées de glace d'eau contaminée par un matériau sombre qui est probablement issu de composés organiques ayant subi l'effet des radiations.

Les petites lunes intérieures se perturbent constamment les unes les autres. Le système est chaotique et apparemment instable. Des simulations montrent que les lunes pourraient se perturber suffisamment pour que leurs orbites se croisent, ce qui pourrait conduire à des collisions entre des lunes. Desdémone pourrait entrer en collision soit avec Cressida soit avec Juliette durant les 100 prochains millions d'années.

Satellites majeurs

Uranus a 5 satellites majeurs : Miranda, Ariel, Umbriel, Titania et Obéron. Leur diamètre va de 472 km pour Miranda à 1 578 km pour Titania. Toutes les grandes lunes sont des objets relativement sombres. Leur albédo géométrique est compris entre 30 et 50 %. Leur albédo de Bond est compris entre 10 et 23 %. Umbriel est la lune la plus sombre tandis qu'Ariel est la plus lumineuse. La masse des lunes est comprise entre 6,7×10 kg (Miranda) et 3,5×10 kg (Titania). À titre de comparaison, la masse de la Lune est 7,5×10 kg . Les satellites majeurs d'Uranus se seraient formés dans le disque d'accrétion qui était présent autour d'Uranus durant quelques temps après sa formation ou résultait d'un gros impact dont Uranus fut victime au début de son histoire.

Toutes les lunes majeures sont composées en quantité approximativement égales de roches et de glace, à l'exception de Miranda qui est composée principalement de glace. La glace pourrait contenir de l'ammoniac et du dioxyde de carbone. Leurs surfaces sont fortement cratérisées, bien que tous les satellites (sauf Umbriel) présentent des signes de resurfaçage endogène sous la forme de linéaments (canyons) et dans le cas de Miranda, de structures ovoïdes appelées couronnes. Des processus d'expansion associés à des diapirs sont probablement à l'origine des couronnes. La surface d'Ariel est la plus jeune car elle présente le moins de cratères d'impact tandis que la surface d'Umbriel serait la plus ancienne. Le réchauffement responsable de l'activité endogène passée d'Ariel et Titania serait dû à d'anciennes résonances orbitales 3:1 entre Miranda et Umbriel d'une part et 4:1 entre Ariel et Titania d'autre part. Une des preuves de telles résonances passées serait l'inclinaison orbitale élevée de Miranda (4,34°) qui est surprenante pour un corps si proche de la planète. Les plus grandes lunes uraniennes pourraient être différentiées en un noyau rocheux au centre et un manteau glacé. Titania et Obéron pourraient posséder une couche océanique liquide à la frontière entre le noyau et le manteau. Les satellites majeurs d'Uranus ne possèdent pas d'atmosphère notable. Par exemple, aucune atmosphère d'une pression supérieure ou égale à 10-20 nanobars n'a été détectée sur Titania.

Ensoleillement aux solstices uraniens

Le parcours quotidien du Soleil dans le ciel d'Uranus et de ses lunes au solstice d'été est relativement similaire à celui de la plupart des autres planètes du système solaire. Les satellites majeurs ont presque exactement la même obliquité qu'Uranus ; leur axe de rotation est parallèle à celui d'Uranus. Le Soleil trace un cercle dans le ciel autour du pôle céleste d'Uranus et est au plus près à environ 7° de celui-ci. À l'équateur, le Soleil apparait pratiquement au nord ou au sud selon le solstice considéré.
A partir des latitudes moyennes (plus hautes que 7°), le Soleil trace un cercle d'environ 15° de diamètre dans le ciel d'Uranus (ainsi que de ses satellites) au cours d'un jour local et ne se couche jamais, jusqu'à l'approche de l'équinoxe.

Satellites irréguliers

En 2005, neuf satellites irréguliers sont connus autour d'Uranus. Leur orbite est au-delà de celle d'Obéron, la grande lune la plus éloignée d'Uranus. Ils ont probablement tous été capturés par Uranus peu après sa formation. Leur diamètre est compris entre 18 km pour Trinculo et 150 km pour Sycorax. Contrairement aux satellites irréguliers de Jupiter, aucune corrélation n’a pas pu été trouvée entre les demi-grands axes et l’inclinaison. Cependant, les lunes rétrogrades peuvent être réparties en deux groupes selon leur excentricité orbitale. Le groupe interne inclut les satellites plus proches (a < 0.15 r_H) sur des orbites modérément excentriques (e_{0.2) : Francisco, Caliban, Stephano et Trinculo. Le groupe externe (a > 0.15 r}H_{) comprend les satellites sur les orbites très excentriques (e}0.5) : Sycorax, Prospero, Setebos et Ferdinand.

Aucun satellite n'a une inclinaison comprise entre 60° et 140° en raison de l'instabilité de Kozai. Dans cette zone d'instabilité, les perturbations solaires à l'apoapse modifient les orbites des lunes ; elles acquièrent de grandes excentricités qui mènent à des collisions avec les satellites intérieurs ou à leur éjection. La durée de vie dans la zone d'instabilité est entre dix millions et un milliard d'années.

Margaret est le seul satellite irrégulier d'Uranus connu ayant une orbite prograde. C'est également le satellite du système solaire ayant l'orbite la plus excentrique, bien que la lune de Neptune Néréide ait une excentricité moyenne plus élevée. En 2008, l'excentricité de Margaret est de 0,7979.

Note : Les satellites d'Uranus sont classés ici par période orbitale croissante. Les satellites suffisamment massifs pour que leur surface ait formé un sphéroïde sont soulignés en bleu clair et sont en gras. Les satellites irréguliers dont les orbites sont progrades sont en gris clair, ceux dont les orbites sont rétrogrades sont en gris foncé.

Ordre	Label	Nom	Image	Diamètre (km)	Masse (10 kg)	Demi-grand axe (km)	Période orbitale (j)	Inclinaison (°)	Excentricité	Année de découverte	Découvreur
1	06 VI	Cordélia		0040 40.2 ± 6	000004 0.044	00049000 49,751	0000.33 0.335034	000.084 0.08479°	0.00026	1986	Terrile (Voyager 2)
2	07 VII	Ophélie		0042 42.8 ± 8	000005 0.053	00053000 53,764	0000.37 0.376400	000.103 0.1036°	0.00992	1986	Terrile (Voyager 2)
3	08 VIII	Bianca		0051 51.4 ± 4	000009 0.092	00059000 59,165	0000.43 0.434579	000.193 0.193°	0.00092	1986	Smith (Voyager 2)
4	09 IX	Cressida		0079 79.6 ± 4	000034 0.34	00061000 61,766	0000.46 0.463570	000.006 0.006°	0.00036	1986	Synnott (Voyager 2)
5	10 X	Desdémone		0064 64.0 ± 8	000018 0.18	00062000 62,658	0000.47 0.473650	000.111 0.11125°	0.00013	1986	Synnott (Voyager 2)
6	11 XI	Juliette		0093 93.6 ± 8	000056 0.56	00064000 64,360	0000.49 0.493065	000.065 0.065°	0.00066	1986	Synnott (Voyager 2)
7	12 XII	Portia		0135 135.2 ± 8	000170 1.70	00066000 66,097	0000.51 0.513196	000.059 0.059°	0.00005	1986	Synnott (Voyager 2)
8	13 XIII	Rosalinde		0072 72 ± 12	000025 0.25	00069000 69,927	0000.55 0.558460	000.279 0.279°	0.00011	1986	Synnott (Voyager 2)
9	27 XXVII	Cupid		0018 ~18	000000.38 0.0038	00074000 74,800	0000.61 0.618	000.1 0.1°	0.0013	2003	Showalter et Lissauer
10	14 XIV	Belinda		0090 90 ± 16	000049 0.49	00075000 75,255	0000.62 0.623527	000.031 0.031°	0.00007	1986	Synnott (Voyager 2)
11	25 XXV	Perdita		0030 30 ± 6	000002 0.018	00076000 76,420	0000.63 0.638	000 0.0°	0.0012	1986	Karkoschaka (Voyager 2)
12	15 XV	Puck		0162 162 ± 4	000290 2.90	00086000 86,004	0000.76 0.761833	000.319 0.3192°	0.00012	1985	Synnott (Voyager 2)
13	26 XXVI	Mab		0025 ~25	000001 0.01	00097000 97,734	0000.92 0.923	000.133 0.1335°	0.0025	2003	Showalter et Lissauer
14	05 V	Miranda		0470 471.6 ± 1.4	006600 66 ± 7	00129000 129,390	0001.4 1.413479	004 4.232°	0.0013	1948	Kuiper
15	01 I	Ariel		1157 1,157.8 ± 1.2	135000 1,350 ± 120	00191000 191,020	0002.5 2.520379	000.260 0.260°	0.0012	1851	Lassell
16	02 II	Umbriel		1169 1,169.4 ± 5.6	117000 1,170 ± 130	00266000 266,300	0004.1 4.144177	000.205 0.205°	0.?	1851	Lassell
17	03 III	Titania		1577 1,577.8 ± 3.6	353000 3,530 ± 90	00435000 435,910	0008.7 8.705872	000.340 0.340°	0.0011	1787	Herschel
18	04 IV	Obéron		1522 1,522.8 ± 5.2	301000 3,010 ± 70	00583000 583,520	0013 13.463239	000.058 0.058°	0.0014	1787	Herschel
19	22 XXII	Francisco		0022 ~22	000000.72 0.0072	04000000 4,276,000	0266 −266.56	147.459°	0.1459	2001	Holman et al.
20	16 XVI	Caliban		0072 ~72	000025 0.25	07000000 7,231,000	0579 −579.73	139.885°	0.1587	1997	Gladman et al.
21	20 XX	Stephano		0032 ~32	000002.2 0.022	08000000 8,004,000	0677 −677.37	141.873°	0.2292	1999	Gladman et al.
22	21 XXI	Trinculo		0018 ~18	000000.39 0.0039	08000000 8,504,000	0749 −749.24	166.252°	0.2200	2001	Holman et al.
23	17 XVII	Sycorax		0150 ~150	000230 2.30	12,179,000	1288 −1288.28	152.456°	0.5224	1997	Nicholson et al.
24	23 XXIII	Margaret		0020 ~20	000000.54 0.0054	14,345,000	1687 1687.01	051 51.455°	0.6608	2003	Sheppard et Jewitt
25	18 XVIII	Prospero		0050 ~50	000008.5 0.085	16,256,000	1978 −1978.29	146.017°	0.4448	1999	Holman et al.
26	19 XIX	Setebos		0048 ~48	000007.5 0.075	17,418,000	2225 −2225.21	145.883°	0.5914	1999	Kavelaars et al.
27	24 XXIV	Ferdinand		0020 ~20	000000.54 0.0054	20,901,000	2805 −2805.51	167.346°	0.3682	2001	Holman et al.

Sources : NASA/NSSDC, Sheppard, et al. 2005. Pour les satellites irréguliers récemment découverts (de Francisco à Ferdinand), les données orbitales les plus précises peuvent être générées par le Natural Satellites Ephemeris Service. Ces satellites sont significativement perturbés par le Soleil.