Webb a pour la première fois capturé une « coupe verticale » de l’ionosphère d’Uranus : une carte 3D révèle où naissent les aurores et pourquoi la planète continue de se refroidir
Pour la première fois, des scientifiques sont parvenus à réaliser une carte détaillée des couches de la haute atmosphère d’Uranus, non seulement « à la surface », mais aussi en altitude — du sommet des nuages jusqu’à des milliers de kilomètres au-dessus. Les observations ont été menées avec le télescope spatial James Webb, dont la sensibilité a permis de détecter la lueur extrêmement faible de molécules très au-dessus des nuages, là où l’atmosphère se transforme en ionosphère et se « connecte » directement au champ magnétique inhabituel de la planète.
Ce résultat est important pour deux raisons. D’abord, il offre l’image la plus nette à ce jour de l’endroit et de la façon dont se forment les aurores d’Uranus, ainsi que de la manière dont leur forme et leur position changent sous l’effet d’un champ magnétique incliné et décalé par rapport à l’axe de rotation. Ensuite, les mesures confirment que la haute atmosphère d’Uranus continue de se refroidir — une tendance qui intrigue les scientifiques depuis le début des années 1990.
Qu’a-t-on exactement mesuré et pourquoi est-ce inédit
L’ionosphère est une couche de l’atmosphère dans laquelle le rayonnement solaire et des particules chargées créent des ions et des électrons, de sorte que le gaz n’est plus « neutre ». C’est précisément dans cette région que se produit un échange d’énergie intense : les charges sont « pilotées » par le champ magnétique, et le réchauffement comme le refroidissement dépendent d’une combinaison de rayonnement solaire, d’apport de particules depuis la magnétosphère et de la dynamique de l’atmosphère en dessous.
Jusqu’à présent, les chercheurs ne disposaient sur Uranus que d’une image fragmentaire — comparable au fait de savoir à quoi ressemble le scintillement dans le ciel sans savoir à quelle altitude exacte il se produit ni quelle est l’« épaisseur » de la zone où l’énergie est libérée. Les nouvelles données de Webb ont permis d’établir des profils verticaux de température et de densité ionique : à quel point il fait chaud et combien de particules chargées il y a à différentes altitudes, ainsi que la manière dont ces grandeurs varient avec la longitude géographique au fur et à mesure que la planète tourne.
Comment Webb a observé Uranus : presque toute une « journée » en une seule séquence
L’observation a été réalisée le 19 janvier 2025 et a duré environ 15 heures, couvrant presque une rotation complète d’Uranus. L’outil clé était NIRSpec, le spectrographe proche infrarouge de Webb, utilisé en mode Integral Field Unit (IFU). Cette approche fournit simultanément un spectre et une information spatiale, ce qui permet de distinguer où, dans l’atmosphère, apparaît la lueur de certaines molécules — et où elle est absente.
L’équipe scientifique était dirigée par Paola Tiranti de l’université Northumbria au Royaume-Uni. Au cœur de l’analyse se trouvait une faible lueur infrarouge au-dessus des nuages, qui se produit lorsque des particules et des molécules excitées dans l’ionosphère reviennent vers des états d’énergie plus bas et émettent de la lumière à des longueurs d’onde spécifiques. C’est précisément cette « signature » qui permet d’estimer la température et la densité des ions.
Résultats clés : où il fait le plus chaud, où il y a le plus d’ions
Les mesures montrent une structure verticale nette qui s’étend jusqu’à environ 5000 kilomètres au-dessus des sommets des nuages. La température dans les couches supérieures atteint un maximum entre 3000 et 4000 kilomètres d’altitude, tandis que la densité ionique atteint un maximum autour de 1000 kilomètres. Un détail important est aussi l’observation de variations marquées en fonction de la longitude — autrement dit, une même couche n’est pas identique tout autour de la planète, mais est « modulée » par la géométrie complexe du champ magnétique.
La température moyenne de la haute atmosphère d’après les mesures de Webb est d’environ 426 kelvins, soit approximativement 150 degrés Celsius. Cette valeur est inférieure aux estimations antérieures obtenues avec des télescopes terrestres et d’anciennes observations spatiales, ce qui renforce encore la conclusion selon laquelle la haute atmosphère d’Uranus continue de se refroidir.
Des aurores en deux bandes et une « zone sombre » entre elles : la trace de la géométrie magnétique
Dans les données de Webb, deux bandes aurorales lumineuses se distinguent près des pôles magnétiques. De telles structures apparaissent lorsque des particules chargées, guidées par les lignes du champ magnétique, plongent dans l’atmosphère et libèrent de l’énergie. Mais ce qui manque est tout aussi intéressant : entre ces deux bandes, une région d’émission réduite et de densité ionique plus faible a été enregistrée — une sorte de « zone sombre » où la lueur est atténuée.
Des régions plus sombres similaires ont également été observées sur Jupiter, où l’on sait que la géométrie des lignes du champ magnétique détermine les trajectoires des particules chargées, de sorte que l’aurore ne se répartit pas uniformément. Sur Uranus, cet effet est encore accentué parce que le champ magnétique est extrêmement « asymétrique » : l’axe magnétique est incliné de près de 60 degrés par rapport à l’axe de rotation, et le centre du champ magnétique est décalé par rapport au centre de la planète d’environ un tiers du rayon. Ainsi, les zones aurorales ne se comportent pas comme un anneau stable autour des pôles, mais, au cours de la rotation, elles « débordent » sur différentes régions géographiques et influencent profondément la répartition de l’énergie dans l’atmosphère.
Pourquoi le refroidissement d’Uranus est une grande énigme
Uranus est la plus froide des planètes géantes du Système solaire si l’on parle des températures que nous « voyons » dans l’atmosphère, mais les couches supérieures — thermosphère et ionosphère — devraient être sensibles à l’apport d’énergie. Un autre problème est qu’Uranus est loin du Soleil, de sorte que l’apport de rayonnement solaire est plus faible que pour Jupiter ou Saturne ; pourtant, la haute atmosphère présente des variations complexes qu’il n’est pas simple d’expliquer uniquement par la distance au Soleil.
La tendance au refroidissement suivie depuis le début des années 1990 alimente les débats sur la manière dont l’énergie est transférée des couches inférieures vers le haut, sur l’efficacité avec laquelle l’atmosphère « se refroidit » en rayonnant dans l’espace, et sur le rôle des variations saisonnières, du vent solaire et des processus internes dans la magnétosphère. Les résultats de Webb ne ferment pas la question, mais fournissent pour la première fois un « contexte 3D » suffisamment détaillé pour que les hypothèses puissent être testées sans s’appuyer sur des mesures ponctuelles et déconnectées.
Vue d’ensemble : une leçon sur les géantes de glace et les mondes au-delà du Système solaire
Uranus et Neptune sont souvent qualifiées de géantes de glace, et leurs processus atmosphériques et magnétiques sont essentiels pour comprendre une classe de planètes probablement fréquente dans la galaxie. Dans les observations d’exoplanètes, en particulier celles dont la taille et la masse sont proches d’Uranus, les scientifiques ne disposent souvent que d’un signal « intégré » — une moyenne sur l’ensemble de la planète. C’est pourquoi toute amélioration de la compréhension de la manière dont l’énergie se répartit dans les couches supérieures d’une atmosphère est directement utile pour interpréter les données sur des mondes lointains.
C’est précisément là que les mesures de Webb apportent une valeur supplémentaire : elles montrent comment des maxima locaux de température et de densité ionique peuvent apparaître dans l’ionosphère, comment les structures aurorales peuvent s’organiser en plusieurs bandes, et comment l’asymétrie magnétique laisse une signature visible non seulement sur le « spectacle lumineux », mais aussi dans la structure verticale même de l’atmosphère.
Et ensuite : davantage de rotations, des comparaisons et la recherche d’un mécanisme
Les résultats obtenus s’appuient sur des observations du programme JWST General Observer 5073, dont l’investigateur principal est Henrik Melin. La communauté scientifique dispose désormais d’un ensemble de données de référence qui peut être comparé aux futures mesures de Webb, mais aussi aux données d’autres observatoires. Il sera particulièrement important de suivre l’évolution des signaux dans le temps : la position des bandes aurorales change-t-elle selon les conditions solaires, la « zone sombre » apparaît-elle toujours au même endroit dans la géométrie magnétique, et le refroidissement se poursuit-il au même rythme ?
Pour Uranus, une planète qui a historiquement reçu peu de visites et encore moins de campagnes d’observation de longue durée, de telles données représentent une sorte de « mini mission » à distance. Au lieu d’un bref survol, on obtient une observation continue qui révèle comment l’atmosphère se comporte pendant la rotation de la planète et comment le champ magnétique remodèle l’ionosphère selon l’altitude et la longitude. Ainsi, pas à pas, se construit le mécanisme qui pourrait expliquer comment les géantes de glace équilibrent l’énergie dans les conditions extrêmes du Système solaire externe.
Sources :- ESA/Webb – communiqué scientifique sur la cartographie 3D de l’ionosphère d’Uranus, résultats sur la température, la densité ionique et les bandes aurorales (link)- Northumbria University Research Portal – données bibliographiques et statut de l’article dans Geophysical Research Letters (DOI : 10.1029/2025GL119304) (link)- NASA Science – faits de base sur le champ magnétique d’Uranus, son inclinaison et son décalage par rapport au centre de la planète (link)- ESA/Webb – description de l’instrument NIRSpec et des capacités de champ intégral (IFU) en spectroscopie (link)
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