Un montage des observations de Jupiter par Hubble. Les aurores polaires sont en fausses couleurs car observées en ultraviolet. © Nasa, ESA, J. Nichols (University of Leicester)

Sciences

Les aurores de Jupiter intriguent de plus en plus les astrophysiciens

ActualitéClassé sous :Astronomie , atmosphère , Jupiter

Les aurores polaires de Jupiter sont les plus brillantes du Système solaire. Les astrophysiciens pensaient qu'elles étaient causées par le même mécanisme principal que les aurores terrestres mais les données de Juno, la sonde de la Nasa, montrent qu'il n'en est rien. Les processus à l'œuvre, bien que connus sur Terre, sont encore mal compris.

  • La magnétosphère de la Terre influe sur l'habitabilité de notre planète et sert de modèle pour comprendre les exoplanètes. On peut rendre compte des aurores polaires à partir de la théorie de cette magnétosphère.
  • Les observations de la sonde Juno laissent toutefois penser que, sur Jupiter, les aurores polaires sont principalement causées par un mécanisme qui est secondaire dans le cas des aurores terrestres et qui fait intervenir de la turbulence en rapport avec les ondes d'Alfvén de la magnétohydrodynamique.
  • Cette découverte incite à la prudence quant à la transposition au cas des exoplanètes de nos idées tirées des études de la magnétosphère de la Terre.

Le regretté André Brahic aimait parler de l'unité (mais aussi de la diversité) du Système solaire. Celle-ci avait été révélée par l'essor de la conquête spatiale et, en particulier, par les deux sondes de la mission Voyager. Bien que les chercheurs se soient attendus à la découverte d'un volcanisme sur Io, ils ont été surpris par l'activité et la diversité des lunes de Saturne, et même par Neptune et son cortège de satellites. À cet égard, Pluton et Charon n'ont pas déçu non plus.

André Brahic aurait probablement aimé le contenu de cet article publié dans le journal Nature par une équipe internationale de chercheurs et qui concerne les aurores polaires, non pas sur Saturne mais sur Jupiter, telles qu'elles sont vues et étudiées à l'aide de la sonde Juno. Cet article aurait probablement aussi intéressé le prix Nobel de physique Hannes Alfvén, qui s'est beaucoup intéressé à la physique des plasmas et aux aurores polaires terrestres. 

Une vidéo sur l'exploration du champ magnétique de Jupiter par la mission Juno. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © NASA Goddard

Mais venons-en à Jupiter et à sa magnétosphère. Celle de la Terre est étroitement liée à l'existence des aurores polaires. Des particules du vent solaire, essentiellement des protons, des noyaux d'hélium mais aussi des électrons, sont, en quelque sorte, canalisées par les lignes des champs magnétiques ; ces particules se déplacent en spirale autour de ces lignes pour atteindre les pôles, où des champs électriques les accélèrent.

Elles entrent alors violemment en collision avec les molécules et, surtout, avec les ions situés dans l'ionosphère de la Terre, entre 100 et 500 km d'altitude, qui forment un plasma. Ce dernier se comporte alors comme l'équivalent d'un tube néon en réponse. C'est ainsi que naissent les aurores polaires.

Sur cette image composite, on voit Jupiter, observée dans l'infrarouge par les instruments de New Horizons alors que cette sonde poursuivait son voyage en direction de Pluton. Io est en revanche observée en lumière presque visible. Notez l'éruption au pôle nord de Io, avec son panache bleuté. © Nasa

Jupiter, un laboratoire pour étudier les magnétosphères des exoplanètes

Les géophysiciens ont découvert que, dans le cas de notre planète, deux mécanismes d'accélération se combinent pour accélérer les particules des aurores. L'un est bien compris, et il est responsable des aurores les plus brillantes, alors que l'autre, associé à des émissions variables et moins brillantes, est plus difficile à modéliser car il fait intervenir des processus stochastiques et qui relèvent de la physique de la turbulence. Comme les aurores joviennes sont les plus brillantes du Système solaire, les astrophysiciens pensaient, là aussi, que ce deuxième mécanisme d'accélération était secondaire.

Mais, selon les mesures des instruments de Juno, il n'en est rien. Des champs électriques bien plus intenses que dans le cas de la Terre (capables de doter les particules de 10 à 30 fois plus d'énergie) sont bien observés, mais ces champs ne rendent pas compte des caractéristiques des aurores. Celles-ci s'expliquent plus facilement si c'est le second mécanisme d'accélération évoqué qui est à l'œuvre, et qui est en relation (bien que dans le cas présent de façon un peu mystérieuse encore) avec « les ondes d’Alfvén ».

Hannes Olof Gösta Alfvén en 1942. Il fut lauréat du prix Nobel de physique en 1970. © DP

La morale de cette histoire est qu'il vaut mieux être prudent lorsqu'il s'agit de transposer aux exoplanètes le modèle de magnétosphère construit en étudiant la Terre. Certaines conclusions relatives à l'habitabilité ou non de ces exoplanètes (qui sont basées en partie sur ce que nous pensons de leur magnétosphère) pourraient souffrir de biais si nous n'y prenons pas garde.

Pour en savoir plus

Des éruptions sur Io contrôleraient les aurores joviennes

Article de Laurent Sacco publié le 01/02/2013

La magnétosphère de Jupiter est couplée de façon complexe à Io, la plus proche des lunes de la géante. Depuis des décennies, on cherche à démêler l'écheveau de ces relations. Si de nombreuses zones d'ombre subsistent, un nouveau lien entre les aurores de Jupiter et l'activité volcanique sur Io vient d'être mis en évidence.

En 1955, Bernard Burke et Kenneth Franklin, membres du fameux Carnegie Institute à Washington, découvrent que Jupiter est une source puissante d'ondes radio dans le domaine décamétrique. Une découverte rapidement interprétée comme une preuve de l'existence d'une magnétosphère autour de Jupiter, où circulent des électrons. Cette hypothèse est ensuite confirmée dans les années 1970, avec les mesures in situ des sondes Pioneer 10 et 11, et bien sûr par Voyager 1 et Voyager 2.

Une vidéo de la Nasa célébrant les découvertes des missions Voyager 1 et Voyager 2. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle avec deux barres horizontales, en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître, si ce n'est pas déjà le cas. En passant la souris sur le rectangle, vous devriez voir l'expression « Traduire les sous-titres ». Cliquez pour faire apparaître le menu du choix de la langue, choisissez « français », puis cliquez sur « OK ». © Nasa SpaceRip

Il faudra attendre 1979 pour que Linda Morabito découvre des preuves de l'existence d'un volcanisme sur Io, l'une des lunes de Jupiter, grâce aux observations de Voyager 1. Ce volcanisme, découlant d'effets de marée, avait été prédit théoriquement.

L'atmosphère et l'ionosphère de Io la volcanique

Les missions Pioneer et Voyager ont non seulement permis d'étudier la magnétosphère de Jupiter mais aussi l'atmosphère et l'ionosphère de Io. On sait ainsi que l'atmosphère de Io est composée à 90 % de dioxyde de soufre produit essentiellement par des éruptions volcaniques. Les 10 % restants sont constitués de divers composés présents à l'état de traces.

Io, la Lune de Jupiter, a été observée de près une première fois par une sonde Voyager. Ici, c'est une image prise par Galileo. © Nasa

L'ionosphère de Io est constituée d'ions de soufre, d'oxygène et de sodium. Elle est située à 700 km de hauteur et est constamment renouvelée par l'activité volcanique, ce qui maintient son existence. En effet, Io fonçant à travers la magnétosphère de Jupiter, les lois de l'électromagnétisme imposent que cela génère des courants électriques, qui entraînent au loin ces ions provenant de Io, à un taux de une tonne par seconde. Un tore de plasma, détecté vers le milieu des années 1970, se forme ainsi autour de Jupiter. Sans des éruptions fréquentes sur Io, ce tore disparaîtrait.

Une image rapprochée de Io prise par la sonde Galileo en 2000. Elle montre une éruption à Tvashtar Catena, une chaîne de cuvettes volcaniques. © Nasa

Des aurores polaires avec des ondes radio hectométriques

On sait depuis un certain temps qu'une partie des ions arrachés à Io se retrouvent aux pôles de Jupiter et que des interactions électrodynamiques complexes entre Io, le tore de plasma et Jupiter y créent des aurores polaires. Un groupe de chercheurs, composé de Japonais et de Belges, vient de publier dans Geophysical Research Letters un article qui apporte de nouveaux éléments pour comprendre ces interactions entre Jupiter et Io.

Ces images d'aurores sur Jupiter (vues en ultraviolet), superposées à une photo en lumière visible de l'ensemble de la planète, ont été prises par Hubble. Ces aurores sont liées aux interactions entre Jupiter et le vent solaire, mais aussi à l'interaction de son champ magnétique avec sa lune Io, entourée d'une ionosphère conductrice d'électricité. © Nasa

On sait qu'en raison de l'activité volcanique de Io, il se forme, en plus du tore de plasma, des jets et des nuages de sodium qui alimentent une vaste région appelée la nébuleuse de sodium de Jupiter. Le groupe de chercheurs a observé, depuis le sol, cette nébuleuse entourant Jupiter et a constaté que, de fin mai à début juin 2007, elle s'était étoffée. Or, on sait que cela correspond à une augmentation de l'activité volcanique sur Io.

Parallèlement, les chercheurs ont étudié le rayonnement radio de Jupiter, émis dans la bande des ondes hectométriques. L'intensité de ce rayonnement est une mesure de l'activité aurorale sur Jupiter. Et ils ont constaté qu'elle avait diminué juste après le début de l'accroissement de la nébuleuse de sodium.

Déduction : l'activité volcanique de Io influence de façon non négligeable l'occurrence des aurores polaires de Jupiter.

Kézako : comment se forment les aurores polaires ?  Les aurores polaires résultent de l’interaction entre les particules éjectées par le Soleil et la magnétosphère terrestre. Elles se manifestent dans le ciel sous forme de lumières allant du vert au rouge. Cet épisode de Kézako, d'Unisciel et de l’université de Lille 1, nous explique ce superbe phénomène.