The stellar occultation by Charon of 11 july 2005

Measurements made at Bordeaux Observatory and in Brazil for several months prior to the July 2005 event allowed astronomers to obtain an accuracy of about 20 mas on the prediction, showing that the occultation could be observable with several large telescopes in Chile, as well from smaller telescopes in Brazil, Paraguay, Uruguay and Argentina (Figure 1).

Figure 1 : Trajectoire de l’ombre de Charon le 11 juillet 2005. Les symboles en vert indiquent les sites où des contacts avaient été pris pour effectuer l’observation. Les symboles entourés en bleu indiquent les sites où l’occultation a pu être détectée. Seules les stations de San Pedro de Atacama, Paranal et El Leoncito ont fourni un rapport signal sur bruit suffisant pour contribuer à la mesure du rayon de Charon.

The Paris Observatory team could then gather data from Paranal, obtained with the NACO adaptive optics camera installed on the "Yepun" 8.2-m Very Large Telescope (Figure 2). Data were also obtained from El Leoncito in Argentina, with the 2.15-m "Jorge Sahade" telescope, and from San Pedro de Atacama (Chile), with the Italian 50-cm amateur "Campo Catino Austral Telescope".

Figure 2 : Images du couple Pluton-Charon avant l’occultation. Est montrée ici la composition d’images (13x13 arcsec) prises par la caméra d’optique adaptative NACO installée sur l’un des VLT à l’Observatoire Européen Austral (site du Paranal), entre environ trois heures et une heure avant l’occultation, dans la bande K (2.2 microns). Les images ont été centrées sur le couple Pluton/Charon, l’objet double visible en haut de l’image, séparé d’environ 0.9 seconde d’arc. A cause du mouvement de Pluton dans le ciel, l’étoile occultée, à droite de Pluton, a laissé une traînée en pointillé sur l’image, ainsi qu’une autre étoile en bas à gauche. Le pouvoir séparateur du télescope géant, la faible turbulence de l’atmosphère, encore diminuée par l’optique adaptative, permettent de séparer nettement le couple Pluton-Charon, malgré leur très faible distance : moins d’une seconde d’arc.

Figure 3 : Reconstitution des cordes d’occultation à partir des trois stations où a été observé le phénomène : San Pedro de Atacama, Paranal (Chili) et El Leoncito (Argentine). L’ajustement d’un cercle aux extrémités de ces cordes fournit la rayon de Charon, 603.6 km. La flèche indique le sens de rotation du satellite.

Charon’s radius determination could have indirect consequences on Pluto’s size (and then also density) and on Pluto’s atmospheric structure. One can now re-analyze the "mutual events" (eclipses et occultations) of Pluto and Charon observed during the 1980’s by fixing Charon’s radius to its value now determined by the occultation, and the satellite’s semi-major axis to its value derived from Hubble Space Telescope observations. There is then only one free parameter, Pluto’s radius, which can be derived with much better accuracy. This radius can in turn improve the atmospheric models for the planet, by discriminating clear atmospheres with a strong inversion layer near the surface, from hazy atmospheres, with a possible convective layer. This occultation finally provided an upper limit for a hypothetical Charon’s atmosphere. For instance, we can give an upper limit of about 110 nanobar in pressure at the surface for an isothermal nitrogen atmosphere. This upper limit can be decreased to 15 nanobar for a methane atmosphere, a value one thousand times smaller than for Pluto’s atmosphere (Figure 4).

Figure 4 : Composite des courbes de lumière obtenues au Paranal et à El Leoncito. L’axe des temps, en abscisses, a été traduit en distance au centre de Charon. Le modèle en grisé clair montre l’effet qu’aurait eu une atmosphère isotherme d’azote avec une pression de 110 nanobars à la surface du satellite. Le modèle en grisé sombre montre l’effet qu’aurait sur la courbe de lumière une atmosphère de méthane avec une pression au sol de 15 nanobars. Ces deux modèles sont des exemples de limites supérieures d’atmosphères possibles de Charon.

Reference

B. Sicardy, A. Bellucci,E. Gendron,F. Lacombe,S. Lacour, J. Lecacheux, E. Lellouch, S. Renner, S. Pau, F. Roques, T. Widemann, F. Colas, F. Vachier, N. Ageorge, O. Hainaut, O. Marco, W. Beisker, E. Hummel, C. Feinstein,H. Levato, A. Maury, E. Frappa, B. Gaillard, M. Lavayssière, M. Di Sora, F. Mallia, G. Masi, R. Behrend, F. Carrier, O. Mousis, P. Rousselot, A. Alvarez-Candal, D. Lazzaro, C. Veiga, A.H. Andrei, M. Assafin, D.N. da Silva Neto, R. Vieira Martins, C. Jacques, E. Pimentel, D. Weaver, J.-F Lecampion, F. Doncel, T. Momiyama, G. Tancredi : "Charon’s size and upper limit on the atmosphere from a stellar occultation" Nature, 5 January 2006

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