Pluton, officiellement désignée par (134340) Pluton (désignation internationale : (134340) Pluto), est une planète naine, la plus volumineuse connue dans le Système solaire (2 372 km de diamètre, contre 2 326 km pour Éris), et la deuxième en ce qui concerne sa masse (après Éris). Pluton est ainsi le neuvième plus gros objet connu orbitant directement autour du Soleil et le dixième par la masse. Premier objet transneptunien identifié, Pluton orbite autour du Soleil à une distance variant entre 30 et 49 unités astronomiques et appartient à la ceinture de Kuiper, ceinture dont il est (tant par la taille que par la masse) le plus grand membre connu.
Après sa découverte par l'astronome américain Clyde Tombaugh en 1930, Pluton était considérée comme la neuvième planète du Système solaire. À la fin du xxe siècle et au début du xxie siècle, de plus en plus d'objets similaires furent découverts dans le Système solaire externe, en particulier Éris, alors estimé légèrement plus grand et plus massif que Pluton. Cette évolution amena l'Union astronomique internationale (UAI) à redéfinir la notion de planète, Cérès, Pluton et Éris étant depuis le 24 août 2006 classées comme des planètes naines. L'UAI a également décidé de faire de Pluton le prototype d'une nouvelle catégorie d'objet transneptunien. À la suite de cette modification de la nomenclature, Pluton a été ajoutée à la liste des objets mineurs du Système solaire et s'est vu attribuer le numéro 134340 dans le catalogue des objets mineurs.
Pluton est principalement composée de roche et de glace de méthane, mais aussi de glace d'eau et d'azote gelé. Son diamètre est d'environ les deux tiers de celui de la Lune.
Pluton est le corps principal du système plutonien. Le couple que forme Pluton avec son grand satellite, Charon (diamètre 1 207 km), est souvent considéré comme un système double, car la différence de masse entre les deux objets est l'une des plus faibles de tous les couples corps primaire/satellite du système solaire (rapport 8:1) et le barycentre de leurs orbites ne se situe pas à l'intérieur d'un des deux corps (il est légèrement à l'extérieur de Pluton).
Quatre autres satellites naturels, nettement plus petits et tous en orbite à peu près circulaires (excentricité < 0,006) à l'extérieur de l'orbite de Charon, complètent le système tel qu'actuellement connu (dans l'ordre en s'éloignant) : Styx, Nix, Kerbéros et Hydre. Tous quatre furent découverts avec l'aide du télescope spatial Hubble : les deux plus importants, Nix et Hydre (respectivement 54 × 41 × 36 km et 43 × 33 km), en 2005, Kerbéros (environ 12 × 4 km) en 2011 et Styx (environ 7 × 5 km) en 2012. Ces deux derniers ont reçu leur nom officiel en juillet 2013. Les dimensions mentionnées correspondent à des mesures effectuées ultérieurement à leur découverte, et non aux premières estimations qui purent être faites.
La sonde spatiale New Horizons, lancée en janvier 2006 par la NASA, est la première sonde à explorer le système plutonien ; elle le traverse le 14 juillet 2015 à une distance minimale de 11 095 km de Pluton, après un voyage de 6,4 milliards de kilomètres. La sonde ne détecte aucun autre satellite de plus de 1,7 km de diamètre pour un albédo de 0,5.
L'orbite de Pluton autour du Soleil a été observée pendant plus d'un siècle (le cliché le plus ancien sur lequel on repère Pluton remonte à janvier 1914), durée de parcours d'un peu plus du tiers de sa trajectoire annuelle, mais suffisante pour mesurer avec précision ses caractéristiques orbitales
Le demi-grand axe de l'orbite de Pluton est de 39,88 ua, mais du fait de l'excentricité prononcée de cette orbite, la distance entre Pluton et le Soleil varie entre 29,7 ua au périhélie et 49,5 ua à l'aphélie, et l'année plutonienne dure 248,1 années terrestres
En comparaison des planètes classiques du système solaire, l'orbite de Pluton est fortement inclinée par rapport au plan de l'écliptique (17,14175°) et excentrique (0,24880766). Les orbites des planètes classiques sont quasi circulaires et coplanaires de l'écliptique (seule Mercure possède une orbite inclinée (7°) et excentrique (0,2) de manière significative)
Le périhélie de Pluton est situé à plus de 8,0 ua au-dessus du plan de l'écliptique, soit 1,2 milliard de km, et c'est près de cette position de son orbite que la planète naine se trouve plus proche du Soleil que Neptune. Ce fut le cas pendant vingt ans entre le 7 février 1979 et le 11 février 1999. À l'opposé, Pluton s'éloigne de 13 ua au-dessous du plan de l'écliptique
L'orbite de Pluton étant très excentrique, elle croise celle de nombreux autres objets ; parmi les astéroïdes numérotés, ces hadéocroiseurs comptaient (en juillet 2004) 10 frôleurs intérieurs (dont (5145) Pholos), 24 frôleurs extérieurs (dont (19521) Chaos), 17 croiseurs (dont (38628) Huya) et 37 coorbitaux (dont (20000) Varuna, (28978) Ixion et (50000) Quaoar)
Bien que Pluton soit parfois plus proche du Soleil que Neptune, les orbites des deux objets ne se croisent jamais, en raison de la forte inclinaison (environ 17°) de l'orbite de Pluton par rapport au plan de l'écliptique. Les nœuds de l'orbite de Pluton (les points où l'orbite traverse le plan de l'écliptique) sont situés à l'extérieur de l'orbite de Neptune.Pluton est en résonance avec Neptune de rapport 3:2, c'est-à-dire que sur une durée de 496 ans, Pluton effectue deux révolutions autour du Soleil pendant que Neptune en réalise trois. Cette résonance est stable : une perturbation de l'orbite de Pluton serait corrigée par l'attraction de Neptune. À cause de ce phénomène, Pluton et Neptune ne sont jamais plus proches que 18,9 ua, tandis que Pluton peut s'approcher à 12 ua d'Uranus. Quand Neptune dépasse le point où les deux orbites sont les plus proches, la résonance maintient une séparation angulaire Neptune-Soleil-Pluton supérieure à 50° et Pluton reste près de 30 ua derrière Neptune, soit près de 4,5 milliards de kilomètres. Le vrai point de rapprochement se situe de l'autre côté de l'orbite. Neptune « dépasse » toujours Pluton quelque 30 ans après l'aphélie de ce dernier.D'autres objets transneptuniens qui gravitent sur une orbite dont le demi-grand axe est de 39,4 ua possèdent une telle résonance orbitale 3:2 avec Neptune et sont appelés des plutinos, par référence à Pluton. En 2009, on en compte plus de 200
Si la trajectoire de Pluton a pu être déterminée sans grande difficulté, ses caractéristiques physiques (diamètre, masse, et partant densité, pouvoir réflecteur, état de la surface) sont restées longtemps mal connues et controversées : son diamètre apparent est inférieur à ¼ de seconde d'arc, tandis que les turbulences de l'atmosphère terrestre rendent difficile l'observation de détails inférieurs à une seconde d'arc. La finesse des observations s'est accrue à partir des années 1980, par l'usage de l'optique adaptative, de la spectrométrie, et du télescope spatial Hubble. La découverte en 1978 d'un satellite de Pluton, Charon, offrit des moyens d'investigation supplémentaires. Néanmoins en 2010, les valeurs publiées diffèrent encore quelque peu selon que l'on se réfère à la NASA ou à des publications récentes. Le survol en 2015 par la mission New Horizons et les effets gravitationnels du couple Pluton-Charon sur la sonde permettront d'ajuster les valeurs de son champ de gravité, selon l'observation de l'effet Doppler sur les signaux de la sonde et la déduction qui en résulte des variations de sa vitesse et de son accélération induite par Pluton et Charon
Pluton, avec sa masse d'un cinq-centième de celle de la Terre et un diamètre de 2 370 ± 20 km, est plus petite et moins massive que sept satellites naturels dans le Système solaire : la Lune (3 476 km de diamètre), les quatre satellites galiléens de Jupiter (Ganymède, 5 262 km ; Callisto, 4 880 km ; Io, 3 640 km ; Europe, 3 122 km), le plus gros satellite de Saturne (Titan, 5 150 km) et celui de Neptune (Triton, 2 706 km)
Avant son survol par la sonde New Horizons, le diamètre de Pluton était l'un des paramètres physiques les moins bien connus et les plus difficiles à mesurer, et la source principale d'incertitude sur les autres paramètres dérivés comme la masse volumique. Sa très grande distance combinée à sa petite taille font qu'il est impossible de résoudre avec précision le disque de Pluton, et empêche donc les mesures « directes » de ses dimensions, que ce soit avec le télescope spatial Hubble ou avec les instruments terrestres dotés d'une optique adaptative
Les mesures se fondant sur les occultations d'étoile par Pluton et les occultations de Pluton par Charon ne concordent pas exactement, et les explications permettant d'expliquer ces différences dépendent des modèles utilisés pour analyser les données, notamment concernant l'atmosphère de la planète naine. La valeur et la marge d'erreur généralement retenue de 2 306 ± 20 km de diamètre incluent en fait les différences de résultat des différentes méthodes de mesure. Le 13 juillet 2015, la sonde New Horizons permet de réévaluer légèrement à la hausse le diamètre de Pluton à 2 370 ± 20 km (soit un rayon de 1 185 ± 10 km), l'incertitude de cette valeur étant due à la présence d'une atmosphère planétaire. En 2017, la ré-analyse des données de New Horizons permet d'affiner ce résultat : 2 376,6 ± 3,2 km (rayon : 1 188,3 ± 1,6 km)
| Année | Rayon et (diamètre) | Notes |
|---|---|---|
| 1993 | 1 195 (2 390) km | Millis, et al. |
| 1993 | 1 180 (2 360) km | Millis, et al. (surface et brume) |
| 1994 | 1 164 (2 328) km | Young & Binzel |
| 1997 | 1 173 ± 23 (2 346 ± 46) km | Tholen et Buie |
| 2006 | 1 153 ± 10 (2 306 ± 20) km | Buie, et al. |
| 2007 | 1 161 (2 322) km | Young, Young, & Buie |
| 2009 | > 1 169-1 172 (> 2 338-2 344) km | Lellouch, et al. |
| 2011 | 1 180 +20/-10 (2 360 +40/-20) km | Zalucha, et al. |
| 2011 | 1 173 +20/-10 (2 346 +40/-20) km | Zalucha, et al. |
| 2014 | 1 184 ± 4 (2 368 ± 8) km | Lellouch, et al. |
| 2015 | 1 185 ± 10 (2 370 ± 20) km | Mesure de New Horizons |
| 2017 | 1 188,3 ± 1,6 (2 376,6 ± 3,2) km | Mesure de New Horizons |
| Année | Masse | Notes |
|---|---|---|
| 1931 | 1 Terre | Nicholson & Mayall |
| 1948 | 0,1 (1/10) Terre | Kuiper |
| 1976 | 0,01 (1/100) Terre | Cruikshank, Pilcher, & Morrison |
| 1978 | 0,002 (1/500) Terre | Christy & Harrington |
| 2006 | 0,00218 (1/459) Terre | Buie et al. |
| 2015 | 0,00220 (1/455) Terre | New Horizons |
La masse de Pluton, tout comme son diamètre, ont été largement surestimés durant les décennies suivant sa découverte. Percival Lowell espérait trouver une planète comparable à Neptune, de l'ordre de dix fois la masse terrestre. La magnitude observée étant plus faible que prévu, on abaissa l'évaluation à une masse terrestre. Les estimations qui tablaient sur une taille comprise entre celles de Mercure et de Mars ont continuellement été revues à la baisse avec l'amélioration des instruments d'observation. En 1976, l'analyse de la lumière de Pluton fit supputer une surface glacée, donc un éclat fourni par une surface plus petite, et une masse réduite à un centième de celle de la Terre. La découverte de Charon en 1978 a permis, par application de la troisième loi de Kepler, de déterminer beaucoup plus précisément la masse totale du couple planétaire. La masse de Pluton est estimée en 2006 à 1,314 × 1022 kg, soit 5,6 fois moins que celle de la Lune ou le cinq centième de la masse terrestre. En extrapolant cette baisse continuelle, deux astronomes facétieux sont allés jusqu'à annoncer la disparition complète de Pluton pour 1984
Pluton ne possède pas d'atmosphère significative. Mais d'après les lois de la physique, les glaces de sa surface doivent être en équilibre thermodynamique avec des phases gazeuses, elle serait donc entourée d'une mince enveloppe de gaz qui serait composée d'azote (N2) à 90%, car c'est l'élément le plus volatil parmi ceux détectés à la surface, et de monoxyde de carbone (CO) à 10 %, ainsi que des traces de méthane (CH4). En outre, les scientifiques de la mission New Horizons ont noté que cette atmosphère s'échappe à un rythme d'environ 500 tonnes par heure à cause de la faible attraction gravitationnelle de la planète naine
L'atmosphère de Pluton a été découverte lors d'une occultation stellaire en 1985, et confirmée par une autre occultation en 1988. Lorsqu'un objet dépourvu d'atmosphère passe devant une étoile, cette étoile d'arrière-plan disparaît de manière brutale ; dans le cas de Pluton, la luminosité de l'étoile masquée a graduellement diminué. De l'évolution de cette courbe de luminosité, une mince atmosphère de 0,15 Pa a été déterminée, soit environ un 700 000e de celle de la Terre. Cette atmosphère pourrait n'exister que lorsque la planète est proche de son périhélie, et geler lorsqu'elle s'éloigne du Soleil. En effet, l'énergie du Soleil reçue par Pluton varie assez fortement entre le périhélie et l'aphélie, du fait de son excentricité orbitale marquée. La température change d'environ 10 K entre ces deux points. Lorsque Pluton s'écarte de son périhélie, une partie de son atmosphère gèle et retombe à la surface. Quand elle s'en rapproche, la température de la surface augmente et l'azote se sublime. À la manière de la sueur qui s'évapore sur la peau, cette sublimation tend à refroidir la surface, et des recherches ont montré que la température de Pluton est 10 K inférieure à ce qui était attendu (température moyenne en surface : −228 °C) ; contrairement à Charon qui, sans atmosphère, a une température de surface conforme à son albédo.En 2002, une autre occultation stellaire par Pluton a été observée par plusieurs équipes dirigées par Bruno Sicardy, Jim Elliot et Jay Pasachoff. De manière surprenante, la pression atmosphérique a été estimée à 0,30 Pa, bien que Pluton soit plus éloignée du Soleil qu'en 1988, et donc plus froide. L'hypothèse privilégiée à l'heure actuelle est que le pôle Sud de Pluton serait sorti de l'ombre en 1987 pour la première fois depuis 120 ans, et qu'un surplus d'azote aurait alors sublimé une partie de la calotte polaire sud. Cet excès d'azote devrait mettre vraisemblablement des décennies avant de se condenser à l'autre pôle, selon un phénomène cyclique.Le survol de Pluton par New Horizons permet une mesure directe de la pression au sol : 11 µbar (1,1 Pa), 100 000 fois moins que sur Terre mais trois fois plus que l'estimation précédente la plus élevée. Cette atmosphère s'échappe 500 à 1 000 fois moins vite qu'il n'était prévu, et elle a une présence significative jusqu'à plusieurs centaines de kilomètres d'altitude, avec des dizaines de couches de brume mais pas de nuages. Le 8 octobre 2015, la NASA annonce que, vu depuis Pluton, le ciel paraît bleu du fait de la diffusion de la lumière par des particules (qui seraient pour leur part plutôt grises ou rouges), ressemblant à de la suie, appelées tholines
Les variations de luminosité de Pluton témoignent d'une inégale brillance entre les différentes régions à sa surface. Pluton réfléchit la lumière solaire avec un albédo de 58 % en moyenne, ce qui est une valeur élevée (elle est de 31 % pour la Terre, et monte à 72 % pour Vénus grâce à sa couche nuageuse). Le pôle Nord est particulièrement brillant, avec un albédo estimé à 80 %, le pôle Sud est un peu moins lumineux, tandis que l'équateur présente une bande sombre 5 fois moins réfléchissante, et les zones intermédiaires des contrastes marqués. Les zones d'albédo élevé sont interprétées comme des parties couvertes de neige ou de glace de formation récente, non encore obscurcie par des dépôts d'impuretés, tandis que les parties sombres pourraient être des composés carbonés. La cartographie de ces zones a été affinée par l'analyse des variations lumineuses lors des passages de Charon devant Pluton, et confirmée en 1994 par les observations directes de Hubble. L'image d'ensemble, prise grâce à la caméra pour objets à luminosité réduite (Faint Object Camera), demeure toutefois très floue, car elle n'est constituée que d'une centaine de pixels, mesurant chacun 200 km de côté. Un nouvel équipement de Hubble, l'Advanced Camera for Surveys, fournit en 2002-2003 des vues complètes de Pluton, encore floues mais montrant des modifications de coloration par rapport aux précédentes images
Les analyses par spectroscopie infrarouge ont identifié plusieurs types de glace à la surface de Pluton : glace de méthane en 1976, puis à partir de 1992, glace d'azote, la plus abondante avec une proportion de l'ordre de 98 %, glace de monoxyde de carbone, glace d'eau et glace d'éthane. La température moyenne au sol est évaluée à −223 °C, avec des variations selon les zones, −213 °C pour les zones sombres et entre −238 °C et −233 °C pour les parties les plus réfléchissantes.Sur sa surface, de la glace de méthane (CH4) et d'azote (N2) a été détectée aux pôles par une observation dans l'infrarouge, en calottes dont la taille varie selon l'éloignement de la planète par rapport au Soleil. À la date du 5 février 2010, certains spécialistes ont remarqué que la glace au pôle Nord est devenue plus brillante, alors que celle du pôle Sud s'est assombrie. Sous la croûte plutonienne se trouve vraisemblablement un manteau glacé.Au cours des dernières années, la couleur de Pluton a pris une teinte rouge de 20 à 30 % plus élevée qu'en 2000, alors qu'elle n'avait pas changé de toute la période allant de 1954 à 2000. Ce changement de teinte serait dû au méthane, composé présent sur la planète naine. L'hydrogène contenu dans le méthane, frappé par des vents solaires, libérerait le carbone constituant l'autre partie du méthane, produisant des teintes de rouge et de noir à la surface de Pluton.Les photographies du 26 et 27 juin 2015 prises par New Horizons montrent « une série de taches intrigantes au niveau de l'équateur, régulièrement espacées. Chacune de ces taches fait environ 480 km de diamètre ». Le 8 octobre 2015, la NASA annonce la détection de glace d'eau à la surface de Pluton par New Horizons
Le survol de Pluton par la sonde New Horizons a révélé une géographie et une géologie bien plus diversifiées qu'on ne s'y attendait : vastes glaciers d'azote (800 000 km2 pour Sputnik Planitia, le plus grand d'entre eux), terrains chaotiques et montagneux provenant du démantèlement d'anciens glaciers, blocs de méthane gelé et calottes de neige de méthane, un ensemble de tours de glace de méthane (de plus de 300 m de hauteur) long de centaines de kilomètres, et des systèmes de failles s'étendant également sur des centaines de kilomètres.
La densité surfacique des cratères d'impact à la surface de Pluton est extrêmement variable d'une région à l'autre, ce qui traduit des âges très variés : depuis moins de 30 millions d'années pour la plaine Spoutnik jusqu'à plus de 4 milliards, en passant par des zones d'âge moyen (entre 100 millions et un milliard).
De nombreux volcans de glace sont également présents, d'âge relativement faible (100 à 300 millions d'années).
En plus des cratères d'impact et des cratères volcaniques, on dénombre des milliers de cratères (jusqu'à 10 km de diamètre) d'origine incertaine mais plausiblement liée à la sublimation de la glace d'azote.
Plusieurs grandes régions ou caractéristiques géologiques sont connues à ce jour :la région Tombaugh, surnommée le « Cœur », grande zone claire de plus de 2 000 km de large. Le lobe ouest du cœur est recouvert de glace de monoxyde de carbone. Ce lobe comprend la plaine Spoutnik au nord-est, les monts Hillary à l'ouest, et les monts Tenzing au sud ;
la macule Cthulhu, surnommée « la Baleine », grande zone sombre de plus de 3 000 km de long au niveau de l'équateur, donc plus de 40 % de la circonférence de Pluton, possiblement recouverte de glaces moins volatiles que celle d'azote, comme celle de méthane ;
Krun, Ala, Balrog, autres régions sombres ;
la région polaire, de luminosité intermédiaire ;
une structure polygonale mesurant environ 200 km dans sa plus grande dimension ;
une bande de terrain relativement complexe parcourant diagonalement la planète naine.
L'existence de cryovolcanisme sur Pluton est envisagée. Ainsi, deux structures géologiques à sa surface, le mont Piccard et le mont Wright, sont approximativement circulaires avec une dépression en leur centre et pourraient être deux cryovolcans
La composition interne de Pluton est pour l'instant inconnue. S'il y a eu différenciation planétaire, il pourrait y avoir un noyau rocheux. Si l'on accorde à Pluton une densité de 2, valeur approximative, la densité voisine de 1 des glaces détectées en surface doit être compensée par une masse rocheuse, de densité de l'ordre de 4 ou 5, en proportion égale aux glaces d'eau et d'éléments volatils (azote, méthane, oxyde de carbone). Ces roches pourraient affleurer à la surface sans être visibles car dépourvues de signatures spectrales caractéristiques, ou bien être recouvertes d'un manteau de glaces.Avec une teneur en glace d'eau de l'ordre de 50 % ou plus pour la masse de Pluton, la présence en profondeur d'eau liquide sous l'effet de la haute pression est envisageable dans les couches profondes, coexistant avec de la glace sous haute pression. Des simulations basées sur les données de la sonde New Horizons concernant la plaine Spoutnik ont renforcé la présomption de l'existence d'un océan interne d'une profondeur d'une centaine de kilomètres. Pour expliquer que Pluton puisse maintenir un océan sous-marin tout en possédant une couche externe de glace très froide, il a été avancé qu'il y a probablement une couche isolante de clathrates au dessus de l'océan interne, qui est supposé être constitué d'eau et de méthane
Les recherches d'un satellite de Pluton partaient du postulat qu'un éventuel satellite devait être beaucoup plus petit que sa planète, comme c'est le cas dans le reste du Système solaire, et donc moins lumineux que Pluton. Des clichés réalisés dans les années 1950 et 1960 très surexposés par des temps de pause longs ne donnèrent aucun résultat. La théorie de Gerard Kuiper qui proposait de voir en Pluton un ancien satellite de Neptune éjecté de son orbite, impliquait que Pluton ne pouvait probablement pas avoir de lune, ce qui n'incitait pas à sa recherche. La découverte d'un satellite près de 50 ans après celle de Pluton fut donc fortuite.Pluton possède cinq satellites naturels connus, le plus grand étant Charon qui fut identifié dès 1978 . Deux satellites plus petits ont été découverts en 2005 et nommés Hydre et Nix (connus jusqu'en juin 2006 par leurs désignations provisoires S/2005 P 1 et S/2005 P 2). Le cinquième membre du système, nommé provisoirement S/2011 (134340) 1 et informellement P4, fut découvert en 2011. La découverte d'un dernier satellite, provisoirement connu comme S/2012 (134340) 1 et informellement surnommé P5, est annoncée le 11 juillet 2012. La sonde New Horizons ne détecte aucun autre satellite de plus d'1,7 kilomètre de diamètre pour un albédo de 0,5 lors de son passage dans le système plutonien
Le 11 février 2013, l'Institut SETI lance la campagne Pluto Rocks! qui permet aux internautes de voter pour les noms qu'ils préféreraient voir attribués à P4 et P5. Le site permettait aussi de proposer des noms tant qu'ils respectent les règles de l'Union astronomique internationale. La campagne se termine après avoir recueilli près de 450 000 votes. Le nom le plus populaire est Vulcain, proposé par l'ancien acteur de Star Trek, William Shatner, suivi de Cerberus. Cependant, d'autres objets portant déjà ces noms et pour éviter toute confusion, l'orthographe grecque Kerberos est préférée à sa version latine Cerberus, et Styx, troisième du classement, est préféré à Vulcain. Le 2 juillet 2013, l'Union astronomique internationale confirme les noms de Kerbéros pour P4 et Styx pour P5.Une particularité du système plutonien est que le barycentre du couple Pluton/Charon n'est pas situé à l'intérieur du premier mais dans le vide entre les deux corps.La distribution des satellites de Pluton est concentrée au centre du système. Potentiellement, un satellite pourrait orbiter autour de Pluton jusqu'à 53 % du rayon de sa sphère de Hill (soit environ 6 × 106 km) dans le sens direct et 69 % dans le sens rétrograde, mais le système plutonien est resserré dans les 3 % internes de cette zone. À titre de comparaison, Psamathée orbite Neptune à 40 % du rayon de sa sphère de Hill. Selon les termes des découvreurs de Nix et Hydre, le système plutonien est « hautement compact et largement vide »
Charon fut découvert en 1978, lors d'une campagne d'astrométrie destinée à affiner la mesure de position de Pluton. James Christy remarqua sur la tache lumineuse des clichés de Pluton une excroissance placée différemment selon les clichés, dont l'examen révéla une périodicité d'une semaine. Christy annonça sa découverte le 7 juillet 1978 et proposa de la nommer Charon.Comparativement à Pluton, Charon est un très gros satellite (son rayon de 600 km environ est la moitié de celui de Pluton, estimé à 1 170 km), et le barycentre des deux corps se trouve au-delà de la surface de Pluton (à un peu plus de deux rayons plutoniens). Il s'agit du plus grand système de ce genre dans le Système solaire (certains astéroïdes binaires possèdent également ce trait, comme (617) Patrocle ; le barycentre du Soleil et de Jupiter est également situé à l'extérieur du premier) et il y est parfois fait référence comme un système binaire d'astéroïdes
Sous l'effet de marée gravitationnelle, Pluton et Charon sont tous les deux en rotation synchrone, avec une période de 6,387 jours : Charon présente toujours la même face à Pluton et Pluton la même face à Charon, un fait inhabituel dans le Système solaire pour deux objets de cette taille (mais non exceptionnel, certains astéroïdes binaires possèdent cette propriété).La découverte de Charon a permis en exploitant de 1985 à 1990 les occultations de Charon par Pluton et les transits de Charon devant Pluton de préciser la masse totale du système double et de déterminer que celle-ci était inférieure aux estimations précédentes. En fait, elle a amené les astronomes à revoir totalement leur estimation de la taille de Pluton. À l'origine, on pensait que Pluton était plus grande que Mercure (on lui donnait environ 6 800 km de diamètre) et plus petite que Mars, mais les calculs étaient fondés sur le fait qu'un seul objet était observé (on ne distinguait pas Charon de Pluton). Une fois le système double découvert, l'estimation de la taille de Pluton a été revue à la baisse. Il est possible aujourd'hui, avec des instruments modernes, de distinguer le disque de Pluton séparément de celui de Charon (voir l'image établie par Hubble en 2006).En conséquence, l'albédo de Pluton a dû aussi être recalculé et revu à la hausse : la planète étant bien plus petite que les premières estimations, sa capacité à réfléchir la lumière devait être plus importante que ce que l'on pensait. Les estimations actuelles lui donnent une valeur moyenne de 58 %, tandis que Charon avec 36 % apparaît beaucoup plus sombre. Charon n'a pas retenu le méthane, seule de la glace d'eau et d'ammoniac y a été détectée.Les observations faites par la sonde New Horizons en juillet 2015 ont permis de découvrir une zone sombre au nord de ce satellite, surnommée « Mordor » par l'équipe de la NASA
Pluton possède deux autres satellites, qui furent photographiés le 15 mai 2005 lors d'une campagne d'observation du télescope spatial Hubble, temporairement nommés S/2005 P 1 et S/2005 P 2 puis dénommés Hydre (du nom du monstre l'Hydre) et Nix (de Nyx, mère de Charon). Ils ont été repérés par une équipe du Southwest Research Institute sur des clichés pris pour préparer la nouvelle mission d'exploration lointaine du Système solaire, New Horizons. Leur existence fut confirmée par l'examen de photographies prises par Hubble et datant du 14 juin 2002. D'après les premières observations, le demi-grand axe de l'orbite de Nix mesure 49 000 km avec une période de 24,9 jours et celui de l'orbite d'Hydre 65 000 km avec une période de 38,2 jours. Les deux satellites semblent orbiter dans le sens rétrograde dans le même plan que Charon et sont deux et trois fois plus éloignés que celui-ci, avec une résonance orbitale proche de (mais pas égale à) 4:1 et 6:1
Les observations se poursuivent pour déterminer les caractéristiques des deux astres. Hydre est parfois plus brillant que Nix, soit parce qu'il est plus grand, soit parce que la luminosité de sa surface varie suivant les zones. Le spectre des satellites est similaire à celui de Charon, ce qui suggère un albédo similaire d'environ 0,35 ; dans ce cas, le diamètre de Nix est estimé à 46 km et celui de Hydre à 61 km. Une limite supérieure peut être déterminée en supposant un albédo de 0,04 similaire aux objets les plus sombres de la ceinture de Kuiper : 137 ± 11 km pour Nix et 167 ± 10 km pour Hydre. Dans ce cas, la masse des satellites serait 0,3 % de celle de Charon (0,03 % de la masse de Pluton)
Pluton possède un quasi-satellite nommée (15810) Arawn.Les observations effectuées par le télescope spatial Hubble ont placé des limites quant à l'existence de satellites additionnels dans le système plutonien. Avec une probabilité de 90 %, aucune lune de plus de 12 km et d'un albédo similaire à celui de Charon (soit 0,38) n'existe dans une zone de 5" autour de Pluton. Pour un albédo plus sombre de 0,041, cette limite est portée à 37 km. Avec une probabilité de 50 %, cette limite descend à 8 km.Dans un article publié dans la revue Nature, une équipe de scientifiques américains conduite par S. A. Stern (du Southwest Research Institute) a annoncé que Nix et Hydre se sont très probablement formées lors du même impact géant qui a donné naissance à Charon. L'équipe a émis l'hypothèse que d'autres grands objets binaires de la ceinture de Kuiper pourraient également abriter de petites lunes et que celles qui gravitent autour de Pluton pourraient générer des anneaux de débris autour de la planète naine. À l'heure actuelle, les données provenant de la caméra de prospection avancée d'Hubble suggèrent qu'aucun anneau n'existe. Dans le cas contraire, il s'agit d'un anneau ténu comme ceux de Jupiter ou de moins de 1 000 km de large.Lors d'une nouvelle campagne d'observation réalisée à l'aide du télescope spatial Hubble, une nouvelle lune fut observée, le 28 juin 2011. Cette observation a été confirmée par d'autres le 3 et le 18 juillet. La petite lune nommée Kerberos (quelquefois francisé en Cerbère ; provisoirement S/2011 (134340) 1 ou P4) et dont la taille doit être comprise entre 13 et 34 km, a une orbite inscrite entre celles de Nix et d'Hydre.Une nouvelle lune appelée Styx (provisoirement S/2012 (134340) 1 ou P5), a été découverte entre le 26 juin et le 9 juillet 2012, elle fut baptisée par l'Union astronomique internationale, le 2 juillet 2013.Après une première inspection des environs de Pluton les 11 et 12 mai 2015, lors de laquelle l'instrument LORRI de la sonde New Horizons a pris 144 photos de 10 minutes chacune afin de repérer tout objet qui pourrait être dangereux pour la sonde lors de sa traversée du système plutonien, aucun nouveau satellite n'a été repéré. S'ils existent, les satellites supplémentaires de Pluton ont donc une taille maximale de 5-15 kilomètres (intervalle correspondant à différents albédos). De même, aucun anneau de matière n'a été repéré, ce qui signifie que, s'ils existent au-delà de l'orbite de Charon, ils sont soit extrêmement fins — moins de 1 000 km de large — soit extrêmement peu réflectifs (ils réfléchiraient moins d'un cinq-millionième de la lumière solaire incidente).
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