Cette illustration montre le disque de Jupiter, observé avec le HST en lumière visible et les aurores polaires en rayons x, observées avec Chandra, affichées en fausse couleurs violettes. L'émission plus intense (hot spot) au Nord apparait comme une tache plus blanche au centre de l'aurore. © rayons X : Nasa/CXC/UCL/W.Dunn et al., visible : Nasa/STScI.
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L'énigme des aurores X de Jupiter est résolue

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[EN VIDÉO] Jupiter dévoilée par la sonde Juno  Depuis son orbite autour de Jupiter, où elle est arrivée en juillet 2016, la sonde Juno, de la Nasa, analyse la planète géante de notre Système solaire avec plusieurs instruments. Les images que nous avons sélectionnées ici montrent la « surface » (en fait le sommet de la couche nuageuse), des détails de la Grande tache rouge et des traces du gigantesque champ magnétique. Les spectaculaires séquences à basse altitude sont de véritables enregistrements lors de survols rapprochés, mais présentés en accéléré. Les scientifiques se régalent. Nous aussi. 

On sait depuis des décennies que les aurores polaires de Jupiter sont également bien visibles dans le domaine des rayons X. Pouvait-on utiliser une partie au moins des mécanismes connus dans le cas des aurores terrestres pour rendre compte de l'énergie nécessaire pour produire ces rayons ? L'énigme durait depuis presque 40 ans et elle est enfin résolue.

Pendant quelques siècles après Newton, l'essentiel de la description du Système solaire se basait uniquement sur l'existence de la force de gravitation entre les corps célestes, avec des effets fins et sur des millénaires résultants des forces de marée et des perturbations gravitationnelles, modifiant lentement mais sûrement les paramètres orbitaux et de rotation sur eux-mêmes de ce corps.

Mais le XXe siècle a bien montré également que des forces électromagnétiques devaient également être prises en compte. Ces forces relevaient d'une électrodynamique cosmique, pour reprendre les termes du prix Nobel de physique Hannes Alfvén. Suédois, il s'était bien évidemment intéressé aux théories décrivant le comportement des aurores polaires. Mais on lui doit aussi de nombreuses contributions à la physique des plasmas. Sans doute, aurait-il été intéressé par un article qui vient d'être publié dans la célèbre revue Science Advances et qui donne la solution d'une énigme en planétologie datant d'une quarantaine d'années.

Juno et l'étude du champ magnétique de Jupiter. 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

La plus grande magnétosphère planétaire du Système solaire

L'énigme concernait les observations des aurores polaires de Jupiter effectuées dans le domaine des rayons X. Certaines de ces observations avaient été conduites en utilisant les observatoires spatiaux XMM-Newton de l'Esa et Chandra de la Nasa. On avait noté, par exemple, alors que les aurores australes pulsaient régulièrement toutes les onze minutes, les boréales fluctuaient de manière apparemment chaotique. Surtout, les scientifiques n'arrivaient pas à comprendre par quels mécanismes des particules chargées étaient accélérées au point d'être dotées de suffisamment d'énergie pour produire ensuite, lors de collision avec les atomes de l'atmosphère de Jupiter, des émissions de rayons X.

Rappelons au passage que la magnétosphère de Jupiter est environ 40 fois plus vaste que celle de la Terre, avec des champs magnétiques 20.000 fois plus intenses, et que des ions provenant des éruptions volcaniques de Io, l'une des principales lunes médicéennes découvertes par Galilée autour de Jupiter, influent sur les aurores polaires de la géante gazeuse. Plus précisément, ce sont des ions soufre et oxygène ayant perdu plusieurs électrons issus de Io (ainsi que des protons) qui sont les ions lourds entrant en collision avec les atomes neutres de Jupiter vers ses pôles.

Il y a quelques années déjà, une équipe de planétologues avaient tout de même avancé un modèle d'accélération des ions d'Io en utilisant des simulations numériques sur ordinateur. On sait que Jupiter tourne sur elle-même en un peu moins de dix heures et que, si son champ magnétique est principalement dipolaire -- comme celui d'une barre aimantée et comme dans le cas de la Terre --, ses lignes de champs sont comprimées face au Soleil en raison du vent solaire. À l'inverse, elles s'étendent et s'étirent à l'arrière de la planète comme on peut le voir dans la vidéo ci-dessus.

Les mystérieuses aurores à rayons X de Jupiter ont été expliquées, mettant ainsi fin à une quête de 40 ans de questionnements. Pour la première fois, les astronomes ont vu la façon dont le champ magnétique de Jupiter est comprimé, ce qui chauffe les particules et les dirige le long des lignes de champ magnétique vers l'atmosphère de Jupiter, déclenchant les aurores X. La connexion a été établie en combinant les données in situ de la mission Juno de la Nasa avec les observations en rayons X du satellite XMM-Newton de l'Esa. © Yao / Dunn / Nasa / European Space Agency, Esa

Une compression périodique de la magnétosphère de Jupiter

Enfin, la rotation de la planète entraîne les lignes de champ magnétique de sorte que, selon les simulations, cette configuration variable des lignes de la magnétosphère induit un phénomène de compression variable du plasma dans celle-ci. Finalement, cela amorce la production d'ondes électromagnétiques particulière appelées ondes électromagnétiques cyclotron ioniques (electromagnetic ion cyclotron ou Emic en anglais). Ces ondes sont produites par les particules chargées qui tournent en spirale autour des lignes de champs magnétiques en les longeant. Ces ondes à leur tour peuvent accélérer les ions. Elles sont connues depuis des décennies dans les magnétosphères de différentes planètes, y compris celle de la Terre et de Saturne.

Il en résultait une série d'événements qui pouvait être observée et donc permettre de tester la théorie avancée. De fait, les conditions pour le faire se sont trouvées remplies les 16 et 17 juillet 2017, lorsque le satellite X de l'Esa XMM-Newton a observé Jupiter en continu pendant 26 heures et a vu des aurores X pulser toutes les 27 minutes. Simultanément, la sonde Juno de la Nasa voyageait entre 62 et 68 rayons de Jupiter au-dessus des zones où se produisaient les aurores, précisément là où les simulations indiquaient l'amorçage du phénomène des aurores.

« Ce que nous voyons dans les données Juno, c'est une belle chaîne d'événements. Nous voyons la compression se produire, nous voyons l'onde Emic se déclencher, nous voyons les ions, puis nous voyons des paquets d'ions se déplacer le long des lignes de champ. Et puis, quelques minutes plus tard, XMM voit une rafale de rayons X », explique ainsi dans un communiqué de l'Esa William Dunn, du Mullard Space Science LaboratoryUniversity College London, qui a codirigé le travail publié aujourd'hui.

Le même communiqué explique également que, finalement, le mécanisme auroral de Jupiter est très similaire à l'un de ceux à l'origine des aurores ioniques qui se produisent sur Terre. Dans le cas de notre Planète bleue, les ions impliqués sont tout simplement les protons du vent solaire. Mais surtout, les énergies impliquées avec la petite magnétosphère terrestre relativement à celle de Jupiter ne sont pas assez élevées pour produire significativement des rayons X.

Si ce processus est bien universel, on peut s'attendre à le trouver avec des naines brunes et même des exoplanètes.

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