VÉNUS, planète

Halley et les transits de Vénus

Le 7 novembre 1677, l'astronome britannique Edmund Halley, âgé seulement de vingt et un ans, observe depuis l'île Sainte-Hélène le passage de Mercure devant le Soleil. Cette observation, qui est possible tous les trois à dix ans, n'était donc pas exceptionnelle, mais Halley eut le talent d'en extraire toute la substance scientifique. Ce n'est pourtant que quatre décennies plus tard, en 1716, qu'il fera, devant la Royal Society, un important discours sur l'importance des transits de Vénus. Halley avait en effet compris que les transits de Mercure ne permettraient pas de résoudre l'importante question de la détermination de la dimension de l'Univers, ou plutôt du système solaire. En effet, Mercure étant trop proche du Soleil, la détermination de la parallaxe solaire (l'angle sous lequel on voit le rayon de la Terre depuis le Soleil) correspondait à un angle trop petit pour que sa mesure puisse être faite avec une précision suffisante. En revanche, Halley affirma que la mesure de cette parallaxe était possible en utilisant les transits de Vénus, qui ne nécessitaient qu'une précision sur la mesure du temps de transit de l'ordre de la seconde, atteignable avec les horloges de l'époque. Halley insista pour que ces mesures soient faites lors des prochains transits de cette planète, qui auraient lieu en 1761 et 1769.

Les transits de Vénus devant le Soleil sont en effet des phénomènes astronomiques très rares. Cela tient au fait que l'orbite de Vénus est inclinée de 3⁰ par rapport à l'écliptique, plan de l'orbite de la Terre dans sa révolution autour du Soleil. Ces 3⁰ ont pour conséquence que Vénus passe généralement au-dessus ou au-dessous du Soleil, et non pas devant le disque solaire. Les calculs de mécanique céleste montrent que ces transits ont lieu à un intervalle de 8 ans, suivi de 121,5 ans, puis de 8 ans suivi de 105,5 ans, après quoi le cycle se répète. La rareté de cet événement a pour conséquence que seuls six transits ont été observés à ce jour : le premier, en 1639, a été observé le 24 novembre (calendrier julien), par le seul astronome britannique Jeremiah Horrocks, alors que Johannes Kepler avait prédit celui de 1631, sans l'observer. Ensuite, il y eut les transits du 6 juin 1761 et du 3 juin 1769, puis du 9 décembre 1874 et du 6 décembre 1882, et celui du 8 juin 2004, qui fut abondamment observé par un très grand nombre d'astronomes. Le suivant a lieu le 6 juin 2012 ; il fut d’autant plus suivi qu'il n'y en aura pas d'autre avant 2117.

L'impact du discours de Halley de 1716 fut considérable puisque les transits du xviii^e et du xix^e siècle vont faire l'objet de dizaines d'expéditions de toutes nationalités à travers le monde. Le plus pathétique de ces voyages fut sans conteste celui du Français Le Gentil. Guillaume Joseph Hyacinthe Jean-Baptiste Le Gentil de la Galaisière (1725-1792) fut envoyé par l'Académie des sciences pour observer le transit de 1761 depuis Pondichéry, aux Indes. Il s'embarque à Brest à bord du vaisseau Le Berryer le 17 mars 1760. Passé Le Cap, son navire est pourchassé et canonné par un vaisseau anglais. Le Gentil se réfugie alors à l'île de France (actuelle île Maurice), où il apprend que Pondichéry est assiégé par les Anglais. Après de longs mois d'attente, il rassemble tous ses instruments et part avec une escadre française envoyée en renfort. Mais il ne peut débarquer à Pondichéry, aux mains des Anglais, et doit observer le transit de Vénus depuis son bateau, ce qui rend les mesures extrêmement imprécises et dénuées de tout intérêt scientifique. Le Gentil décide alors de rester dans la région et d'attendre huit longues années le prochain transit. Il occupera son temps à effectuer de multiples observations, relatées dans le récit de son voyage Le Gentil, Voyage dans les mers de l'Inde (1760-1771), fait par ordre du Roi, à l'occasion du passage de Vénus sur le disque du Soleil, le 6 juin 1761, & le 3 du même mois 1769 (2 vol., Paris, 1779, 1781). Ce 3 juin 1769, Le Gentil est donc à Pondichéry, où la guerre a cessé. Il est prêt depuis de nombreuses semaines lorsque, le matin du 3, « il s'éleva une espèce de coup de vent, qui ne dura précisément que le temps qu'aurait duré l'observation ; car Vénus devait sortir de dessus le Soleil à 7 heures du matin. Or le Soleil commença à percer le nuage à 7 h 30 ; le reste du jour & les suivants furent très beaux ; de sorte que ce tourbillon semblait avoir été fait exprès ». Le Gentil, désespéré, rentra en France. Mais le sort s'acharnait sur l'astronome : après une si longue absence, tous le croyaient mort, son poste à l'Académie avait été donné à un autre et ses biens avaient été vendus.

Le bilan du transit de 1761 fut décevant : la parallaxe solaire qui en découla sera évaluée par les uns et les autres entre 8,28 et 10,60 secondes d'angle, soit une distance Terre-Soleil comprise entre 158 et 124 millions de kilomètres. Le bilan des observations de 1769 fut légèrement meilleur, avec une distance s'échelonnant entre 157 et 147 millions de kilomètres. Ce sera avec la Seconde Guerre mondiale et l'invention du radar que la valeur de la parallaxe sera déterminée avec une grande précision : par l'envoi d'une onde radar vers la surface de Vénus, cette valeur fut établie à 8,794148 secondes d'angle, ce qui correspond à un éloignement moyen du Soleil voisin de 150 millions de kilomètres.

La rotation de Vénus

La planète Vénus est à la fois l'astre le plus brillant du ciel après la Lune et le Soleil et néanmoins une planète difficile à observer. Les difficultés que les observateurs ont éprouvées pour déterminer sa vitesse de rotation en témoignent. Jean-Dominique Cassini (Cassini I, 1625-1712) sera le premier à la mesurer et donnera en 1666 une période de 23 heures 15 minutes. Durant tout le xviii^e et le xix^e siècle, de nombreux observateurs publieront des valeurs allant de plusieurs heures à plusieurs jours. La difficulté vient de ce que Vénus est recouverte d'une épaisse couche de nuages qui ne laisse apparaître que peu de détails dans le visible. Or la mesure de la période consiste à identifier une région particulière et à évaluer le laps de temps qui s'écoule jusqu'à la réapparition de cette région après une ou plusieurs rotations. Une difficulté supplémentaire vient de ce que les observateurs font l'hypothèse que Vénus tourne, comme ses semblables, dans le sens direct alors qu'elle tourne en réalité dans le sens rétrograde. Il faudra finalement attendre trois siècles pour que Roland L. Carpenter annonce, au début des années 1960, en utilisant la technique radar, une période de rotation sidérale rétrograde de 242,98 jours, très voisine de la valeur qui est aujourd'hui admise : 243,0185 jours. Il faut noter que le jour solaire sur Vénus dure un peu moins de 117 jours, soit environ la moitié du jour sidéral, et qu'une révolution autour du Soleil s'effectue en 224,7 jours.

L'exploration spatiale de Vénus

À la veille de l'ère spatiale, on sait finalement peu de chose de Vénus. Sa surface est pratiquement inconnue, de même que les conditions de pression et de température qui y règnent. Durant plus de quatre décennies, 35 missions spatiales vont se succéder pour explorer ce monde inconnu, dont 26 issues de l'U.R.S.S. et 8 des États-Unis. Parmi elles, 24 seront des succès (sur Mars, cette proportion est inverse, avec environ deux échecs pour trois tentatives). Plus étonnant, dix-sept engins seront largués dans son atmosphère, dont quatorze atteindront la surface, et deux aérostats flotteront dans son atmosphère. Un premier résultat est obtenu par la sonde américaine Mariner-2, qui, le 14 décembre 1962, survole la planète à 35 000 kilomètres d'altitude, et dont les mesures permettent de conclure à l'absence de champ magnétique dipolaire sur Vénus. Le premier objectif des Soviétiques sera d'atteindre la surface afin d'y mesurer la pression et la température. Après plusieurs tentatives lors desquelles les sondes ne parviennent pas à descendre dans cette atmosphère extraordinairement dense, les ingénieurs soviétiques décident de larguer le parachute à une certaine altitude afin que la sonde termine sa descente en chute libre. Ce choix judicieux permet le premier atterrissage sur Vénus, réalisé par la sonde Venera-7, le 15 décembre 1970. Au sol, la température atteint 460 ⁰C et la pression est voisine de 90 bars, soit 90 fois la pression terrestre au niveau de la mer. Ces premières sondes confirment aussi le phénomène dit de super-rotation de l'atmosphère, c'est-à-dire le fait que celle-ci tourne dans le sens rétrograde en un peu plus de quatre jours, donc beaucoup plus vite que la planète elle-même. Une activité électrique est également détectée, dont la cause n'est pas bien comprise. À partir de 1975, les Soviétiques utiliseront leur lanceur lourd Proton pour envoyer des sondes de cinq tonnes vers Vénus. Avec Venera-9 et Venera-10, des engins de 600 kilogrammes se posent sur le sol de Vénus (les 23 et 26 octobre 1975) et photographient pour la première fois le paysage environnant. Le sol est constitué de basalte, d'origine volcanique, et l'atmosphère est claire, avec des vents faibles en surface – quelques kilomètres par heure –, alors qu'ils atteignent au niveau des nuages des vitesses de plus de 300 kilomètres par heure. La couleur à dominante orangée du sol est due à un composé chimique absorbant le bleu et le proche ultraviolet, dont la nature reste à ce jour inconnue.

La composition de l'atmosphère est établie : 96,5 p. 100 de dioxyde de carbone (CO₂) et 3,5 p. 100 d'azote moléculaire (N₂). La couche nuageuse est caractérisée : elle s'étend de 47 à 65 kilomètres d'altitude et est constituée de trois couches stratifiées. Les nuages contiennent très peu d'aérosols : 10 milligrammes par mètre cube, à comparer aux nuages terrestres, qui contiennent 400 milligrammes de gouttelettes par mètre cube. La forte épaisseur de ces nuages, une vingtaine de kilomètres, interdit de voir la surface de la planète. Le sommet des nuages à 65 kilomètres d'altitude correspond à la partie visible de Vénus ; à ce niveau, les gouttelettes sont composées à 85 p. 100 d'acide sulfurique (H₂SO₄).

L'imagerie de la surface par ondes radars sera utilisée d'abord par l'orbiteur américain Pioneer Venus à partir de 1978 puis par les orbiteurs soviétiques Venera-15 et Venera-16 (1983). Un quart de la surface est ainsi cartographiée avec une résolution d'un kilomètre. Mais c'est surtout la sonde américaine Magellan qui, de 1990 à 1994, va cartographier la quasi-totalité de la surface avec une résolution de 100 mètres. Les deux tiers de cette surface vénusienne sont constitués par des plaines aux reliefs limités. Deux « continents » – qui ne couvrent que 10 p. 100 de la surface – en émergent : Aphrodite Terra et Ishtar Terra. Le point culminant de Vénus, Maxwell Montes, s'élève à 6 kilomètres au-dessus des régions environnantes. La faible densité de cratères d'impacts révèle que l'âge de la surface de Vénus est de 500 millions d'années environ, ce qui est relativement jeune. Les coulées de lave sont abondantes, ainsi que les plissements de terrain, suggérant qu'une activité tectonique intense a existé dans un passé récent. Par ailleurs, la présence d'une grande quantité de soufre dans l'atmosphère permet de penser qu'une activité volcanique existe encore aujourd'hui sur Vénus, même si aucune observation directe n'en a apporté la preuve.

La mission Venus Express

Depuis 1999, date de la dernière visite de Vénus par une sonde – lors d'un bref survol effectué par le composite Cassini-Huygens en route vers Saturne –, il faut bien admettre que de nombreux mystères demeurent : quel est le « moteur » de la super-rotation de l'atmosphère sur une planète à la rotation si lente ? Quelle est la nature des composés qui créent l'effet de serre massif conduisant à des températures de 460 ⁰C à la surface ? Quel est ce composé mystérieux qui crée la forte absorption dans le bleu et l'ultraviolet ? Quelle est la nature de l'activité électrique qui a été détectée dans l'atmosphère ? Alors que la Terre et Vénus ont des dimensions voisines, pourquoi leurs atmosphères sont-elles aujourd'hui si différentes ? Quels sont les processus tectoniques qui ont remodelé la surface de Vénus dans le dernier milliard d'années ? Autant de questions, parmi bien d'autres, qui ont justifié la mise en œuvre de la mission Venus Express par l'Agence spatiale européenne (E.S.A.).

Reprenant de nombreux éléments de la sonde Mars Express lancée en 2003, la mission vers Vénus, décidée en 2002, a pu être lancée moins de quatre ans plus tard, ce qui est sans précédent à l'E.S.A., le 9 novembre 2005, depuis Baïkonour (Kazakhstan), par un Soyouz-Fregat. Placée le 11 avril 2006 en orbite autour de Vénus, la sonde a commencé ses observations en juin.

Les objectifs scientifiques de cette mission concernent essentiellement l'étude globale et en trois dimensions de l'atmosphère vénusienne : composition, structure thermique, circulation, bilan énergétique, effet de serre, nuages, origine des éclairs, interaction avec le vent solaire provoquant son « échappement » dans l'espace. Certains objectifs concernent également la surface et l'intérieur de la planète : observation de la surface dans l'infrarouge, à travers des « fenêtres » où l'atmosphère est transparente, détection d'une éventuelle activité volcanique et/ou tectonique. Pour remplir ses objectifs, Venus Express est équipée de sept instruments scientifiques : une caméra (Venus Monitoring Camera : V.M.C.), des spectromètres dans le visible et l'infrarouge (Visible and Infrared Thermal Imaging Spectrometer : V.I.R.T.I.S.) ainsi que dans l'ultraviolet (Planetary Fourier Spectrometer : P.F.S. ; Spectroscopy for Investigation of Characteristics of the Atmosphere of Venus : Spicav) permettant d'analyser la composition et la structure thermique de l'atmosphère, d'un magnétomètre (Mag) et d'un analyseur de particules neutres et énergétiques (Analyser of Space Plasmas and Energetic Atoms : Aspera-4) afin d'étudier comment Vénus perd son atmosphère.

L'instrument franco-italien V.I.R.T.I.S. a observé pour la première fois au pôle Sud un double vortex en forme de S inversé ; la sonde Pioneer Venus avait déjà observé cette structure complexe au-dessus du pôle Nord, mais avec une résolution moins bonne. Le lien entre ce vortex et la super-rotation ainsi que son caractère double ne sont pas encore compris. V.I.R.T.I.S. a également montré qu'il pouvait « voir » la surface malgré l'épaisse atmosphère. Les images sont néanmoins très bruitées par l'atmosphère. Le magnétomètre a détecté la présence d'éclairs dans l'ionosphère de Vénus pour environ une orbite sur six ; la cause de ce phénomène est encore controversée, d'autant plus que les précédentes observations avaient révélé ces éclairs dans les nuages à environ 50 kilomètres d'altitude. Ces éclairs constituent une source d'énergie efficace qui induit des réactions chimiques hors équilibre, à l'instar de la production d'oxydes d'azote sur Terre.

Vénus est-elle le miroir de ce que deviendra la Terre si l'on ne maîtrise pas l'augmentation des gaz à effet de serre ? Les spécialistes ne le pensent pas, comme ils ne comprennent pas non plus le fonctionnement de l'effet de serre sur Vénus. Ici comme ailleurs, notre ignorance est grande. D'où l'importance de cette mission.