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)
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Juno révèle les secrets des tempêtes de l'aube sur Jupiter

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[EN VIDÉO] Survolez Jupiter avec la sonde Juno  Découvrez Jupiter telle que vous ne l'avez jamais vue grâce au travail d'un citoyen scientifique. À l'aide des images collectées par la sonde Juno, celui-ci est parvenu à créer une modélisation 3D de la surface jovienne, dont il offre un survol époustouflant. 

Depuis 1994, grâce aux observations de Hubble, on connaissait des aurores polaires spectaculaires sur Jupiter baptisées « tempêtes de l'aube ». La sonde Juno aide les planétologues à percer les mystères de leurs origines en montrant des similitudes avec certains événements dans la magnétosphère de la Terre.

« Il y en a qui seront déçus si aucune vie n'est trouvée sur d'autres planètes. Pas moi -- je veux être ravi et surpris une fois de plus, grâce à l'exploration interplanétaire, et qu'elle me rappelle la variété infinie et la nouveauté des phénomènes qui peuvent être générées à partir des si simples lois et équations de la physique. Le test de la science est sa capacité à prédire. Si vous n'aviez jamais visité la Terre, pourriez-vous prédire les orages, les volcans, les vagues de l'océan, les aurores et les couchers de soleil colorés ? Ce sera une leçon salutaire lorsque nous apprendrons tout ce qui se passe sur chacune de ces planètes mortes, ces huit ou dix boules, chacune agglomérée à partir du même nuage de poussière et chacune obéissant exactement aux mêmes lois de la physique ».

Ainsi s'exprimait au début des années 1960, dans son célèbre cours de physique, le mythique prix Nobel de physique Richard Feynman. Des années plus tard, les missions Voyager et Cassini lui donneront raison en montrant la diversité des mondes planétaires autour des géantes de gaz et de glace comme le regretté André Brahic en avait témoigné dans une interview qu'il avait donnée à Futura. Mais, tout comme l'expliquait Feynman, derrière cette diversité se trouve bel et bien une unité qui, d'ailleurs, nous permet de comprendre les mondes galiléen et « hyugensien » en combinant les lois universelles de la mécanique céleste, de la physique des plasmas à celle du rayonnement en passant par la mécanique des fluides et la cosmochimie.

L'aventure de l'exploration interplanétaire nous fait donc aussi découvrir que des phénomènes observés sur Terre ont des analogues ailleurs dans le Système solaire. On en voit un nouvel exemple avec une étude menée par des chercheurs du Laboratoire de Physique Atmosphérique et Planétaire (Star Institute / Faculté des Sciences) de l'université de Liège, et qui a donné lieu à la publication d'un article dans AGU Advances.

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

Des aurores polaires contrôlées par des éruptions volcaniques

Cette fois-ci, ce ne sont pas les observations des sondes Voyager ou Galileo concernant Jupiter mais celles de Juno qui complètent d'ailleurs les études menées depuis l'orbite terrestre avec le télescope Hubble. Dans le cas présent, c'est le regard dans l'ultraviolet de cet artefact de la noosphère en orbite autour de Jupiter qui a été mobilisé pour étudier les spectaculaires aurores polaires de la planète.

Tout comme notre Planète bleue, Jupiter possède une magnétosphère, l'une des plus grandes du Système solaire et sa cartographie a débuté avec les sondes Pioneer. Il y a des incertitudes sur l'origine exacte du champ magnétique même si l'on a de très bonnes raisons de penser qu'elle doit être analogue à celle de la magnétosphère terrestre par effet dynamo tel qu'il est investigué avec l'expérience VKS en laboratoire. L'étude du champ magnétique de Jupiter, comme celle de son champ de gravité, est donc un bon moyen de percer les secrets de l'intérieur de la géante. Ce qui est sûr par contre, c'est que ce qui se passe au niveau du plasma dans la magnétosphère de Jupiter est différent de ce qui se passe dans le cas de la Terre.

En effet, c'est principalement l'impact du vent solaire qui intervient dans le cas de notre Planète alors que, dans le cas de Jupiter, les apports d'ions et d'énergie sont dominés par les panaches volcaniques qui s'élèvent de l'infernale Io. Il en résulte que les phénomènes auroraux sur Jupiter ne sont pas identiques à ceux observés aux pôles terrestres et que, comme l'expliquait aussi Futura dans les précédents articles ci-dessous, les éruptions sur Io contrôlent les aurores joviennes. Juno montre toutefois maintenant qu'il y a des similitudes avec le cas de la Terre.

« Bien que le "moteur" des aurores sur Terre et Jupiter soit très différent, montrer pour la première fois les liens entre les deux systèmes permet d'identifier les phénomènes universels et de les distinguer des particularités relatives à chaque planète. Les magnétosphères de la Terre et de Jupiter stockent de l'énergie par des mécanismes très différents, mais quand cette accumulation atteint un point de rupture, les deux systèmes libèrent de façon explosive cette énergie de manière étonnement similaire », explique ainsi dans un communiqué Zhonghua Yao, collaborateur scientifique au sein du labo de l'ULiège.

Vues artistiques des aurores ultraviolettes sur Jupiter (à gauche) et la Terre (à droite). Basée sur l'observation d'une tempête aurorale à l'aube sur Jupiter à partir de Juno et d'un sous-orage à partir du vaisseau spatial Image, cette illustration montre les similitudes entre les deux formes aurorales. © Nasa/JPL-Caltech/SwRI/UVS/STScI/Modis/WIC/Image/ULiège

Des recombinaisons magnétiques derrière les « tempêtes de l'aube »

Dans l'article publié, les planétologues expliquent que les observations de Juno, sur une orbite particulièrement elliptique afin de ne pas rester trop longtemps dans une région riche en particules chargées, rapides, délétères pour l'électronique, leur ont permis de voir ce qui se passait dans la zone nocturne des pôles de la planète.

« Ces vues ont, par ailleurs, été complétées par des observations du télescope Hubble qui prenait le relais lorsque Juno s'éloignait trop de Jupiter. Nous avions planifié ces observations à l'occasion d'une grande campagne d'observation de Jupiter avec le télescope Hubble, dirigée par le Pr Denis Grodent, Zhonghua Yao, Benjamin Palmaerts, Jean-Claude Gérard et moi-même », explique Bertrand Bonfond, chercheur qualifié FNRS au Laboratoire de Physique Atmosphérique et Planétaire (STAR Institute-Faculté des Sciences) et premier auteur de l'article dans le même communiqué de l'ULiège.

Une étude menée par des chercheurs du Laboratoire de Physique Atmosphérique et Planétaire de l’Université de Liège, montre pour la première fois des vues globales d’une tempête de l’aube, un phénomène auroral spectaculaire qui se produit sur Jupiter. En savoir + www.star.uliege.be © Université de Liège

L'instrument Ultraviolet Imaging Spectrometer (UVS) de Juno leur a permis d'avoir des informations plus complètes et finalement globales en ce qui concerne les « tempêtes de l'aube » qui font partie des plus brillantes des aurores polaires joviennes. Elles ont été découvertes pour la première fois en 1994 par le télescope Hubble juste dans la région des pôles qui émerge de la nuit au petit matin du fait de la rotation de Jupiter sur elle-même en moins de dix heures.

« Nous nous sommes aperçus que ce phénomène ressemblait fort à un type d'aurores terrestres appelé "substorm" (sous-tempête aurorale) », explique à ce sujet Jessy Matar, doctorante du labo de l'ULiège.

Si donc les aurores joviennes n'ont pas exactement les mêmes origines que sur Terre, les chercheurs viennent donc tout de même d'établir des similitudes. Il apparait maintenant que les tempêtes de l'aube prennent naissance dans la partie nocturne de la géante gazeuse. Sur la face diurne, leur intensité lumineuse se met ensuite à grimper en atteignant des centaines jusqu'à des milliers de gigawatts dans le domaine UV, ce qui correspond à des injections d'énergie au moins 10 fois supérieures aux aurores joviennes classiques.

Dans le cas de notre Planète bleue, ces brusques libérations d'énergie sont liées à des recombinaisons des lignes de champ magnétique dans la queue de la magnétosphère. Le phénomène de recombinaison est bien connu aussi dans le cas de l'atmosphère solaire où il est lié à des éruptions. Dans le cas de Jupiter, le phénomène semble lié à des trop-pleins de plasma provenant d'Io selon les chercheurs.

Pour en savoir plus

Les aurores de Jupiter intriguent de plus en plus les astrophysiciens

Article de Laurent Sacco publié le 12/09/2017

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.

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.

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.


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.

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