Cette image générée par ordinateur est basée sur une image infrarouge de la région polaire nord de Jupiter qui a été acquise le 2 février 2017 par l'instrument JIRAM à bord de Juno pendant son quatrième passage. © NASA/JPL-Caltech/SwRI/ASI/INAF/JIRAM

Sciences

Jupiter : la sonde Juno livre de sublimes images et la clé d'une énigme

ActualitéClassé sous :Espace , Système solaire , juno

Les données de la sonde Juno nous ont révélé la beauté spectaculaire des pôles de Jupiter. Elles nous permettent maintenant de comprendre les vents qui forment des bandes nuageuses en rotation différentielle et de résoudre l'énigme de leur profondeur.

Il semble que nous devions à l'astronome Giovanni Domenico Cassini la découverte de la structure en bandes de la surface de Jupiter. Il est certain en tout cas qu'il a découvert — avec Robert Hooke — la Grande Tache rouge, ainsi que la rotation différentielle des bandes de Jupiter, vers la fin du XVIIe siècle. Voilà donc plus de trois siècles qu'est posée la question de la nature de ces structures formées par des vents soufflant à des vitesses et des directions différentes selon la latitude. Leur étude fera un bond, aussi bien du point de vue des observations que de la théorie, à partir des années 1970 avec les missions Pioneer et surtout Voyager, puis avec les progrès des sciences de l'atmosphère rendus possibles par l'essor des ordinateurs et des simulations numériques.

Nous pouvons considérer que c'est à partir de ces années-là que vont se mettre en place deux grandes interprétations de la structure en bandes nuageuses de Jupiter. Le géophysicien états-unien Gareth P. Williams va ainsi transposer en 1975 au cas de Jupiter un modèle numérique de la circulation atmosphérique sur Terre, sous l'hypothèse que celle de la géante se produit uniquement dans une mince couche superficielle. Émerge alors effectivement la structure en bandes de la géante comme le montre un documentaire que la BBC a consacré au début des années 1980 aux missions Voyager.

Une présentation des découvertes des sondes Voyager pendant les années 1980 et des questions que ces découvertes posaient, notamment pour l'atmosphère 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 ». © Jeff Quitney

Le géophysicien allemand Friedrich H. Busse s'appuie, lui, sur d'autres hypothèses, notamment sur celle de la convection dans une sphère fluide en rotation chauffée de l'intérieur, ce qui n'est pas sans rappeler la modélisation du noyau fluide de la Terre. Il en dérive l'existence de cylindres emboîtés à l'intérieur de Jupiter dont les limites externes correspondent aux bandes de la planète. Une expérience montrée dans la vidéo ci-dessus illustre ce phénomène.  

Les données fournies par la mission Juno ont finalement permis un progrès décisif dans la compréhension de l'origine de ces bandes, en permettant de trancher sur la question de leur profondeur. Proviennent-elles de structures qui s'étendent très profondément à l'intérieur de Jupiter, ou bien restent-elles superficielles, comme le montrent les publications de plusieurs équipes de chercheurs dans le journal Nature ?

Cette animation illustre une découverte récente faite en analysant les données de la sonde Juno qui montre que les jet-streams de Jupiter pénètrent profondément dans l'atmosphère de la planète, jusqu'à une profondeur de 3.000 kilomètres. En raison de sa rotation rapide (la journée sur Jupiter est d'environ 10 heures), ces jet-streams prennent la forme de cylindres imbriqués. En dessous d'eux, Jupiter tourne d'un bloc sur elle-même. © Nasa

La gravimétrie et l'intérieur de Jupiter

Les planétologues ont en effet joué au même jeu que leurs collègues géophysiciens étudiant la Terre qui ont cartographié précisément le champ de gravitation de notre planète en étudiant les mouvements des satellites. Cela permet de résoudre ce qu'il est convenu en physique mathématique un problème inverse. En l'occurrence, il s'agit de remonter à la distribution de la densité de matière à l'intérieur d'un astre et éventuellement comment celle-ci varie au cours du temps. La performance est similaire à celle qui consisterait à déterminer la forme et la composition d'un instrument de musique à partir des sons qu'il peut produire (dans les deux cas, on fait intervenir l'analyse harmonique).

Les mouvements de Juno montrent alors une asymétrie entre les intensités du champ de gravitation dans l'hémisphère nord et l'hémisphère sud de Jupiter. L'effet est faible : pour le mettre en évidence, il a fallu des mesures 100 fois plus précises que celles fournies par les précédentes missions (par exemple Galileo). Mais il suffit pour faire le tri entre des centaines de milliers de modèles de l'intérieur de la planète. Les chercheurs ont alors démontré que les bandes nuageuses de Jupiter s'étendent bien en profondeur, mais à seulement 3.000 km sous la surface de la géante gazeuse, dont le rayon moyen est d'environ 70.000 km.

Et il est possible d'aller encore un cran plus loin comme l'a montré une équipe menée par Tristan Guillot de l'Université Côte d'Azur, CNRS, Observatoire de la Côte d'Azur. Sous ces jet-streams, la rotation de Jupiter devient uniforme. La raison en est que les températures et les pressions deviennent telles que l'hydrogène se ionise. Il se forme alors un fluide chargé sensible à l'intense champ magnétique de Jupiter, dont il doit suivre les lignes de champ, lesquelles sont entraînées par la rotation de la planète.

On peut penser que ce qui est valable pour Jupiter l'est aussi pour Saturne, qui n'a pourtant pas de bandes. Mais la planète aux anneaux étant moins massive, les vents doivent y être beaucoup plus profonds, jusqu'à 9.000 km (pour un rayon moyen est de 58.000 km). Les astrophysiciens pensent également que ce processus peut être transposé aux naines brunes et aux exoplanètes plus massives que Jupiter, qui devraient donc avoir des couches de jet-streams plus minces.

Cette avancée dans la compréhension des géantes gazeuses s'accompagne d'un nouveau mystère. Avant Juno, l'aspect des pôles de Jupiter restait inconnu. Aujourd'hui, les données fournies par l'instrument Jiram (Jovian Infrared Auroral Mapper) permettent de reconstituer sur ordinateur l'aspect de ces pôles dans cette bande de longueurs d'onde et de sonder les couches nuageuses de Jupiter jusqu'à une profondeur de 50 à 70 kilomètres.

Il apparaît que son pôle nord est dominé par un cyclone central entouré de huit cyclones circumpolaires dont les diamètres varient de 4.000 à 4.600 km alors que le pôle sud, qui contient également un grand cyclone principal, est entouré par cinq cyclones dont les diamètres varient de 5.600 à 7.000 km. Or, les planétologues ne comprennent pas comment ces tourbillons peuvent rester stables et pourquoi ces cortèges n'existent pas autour des vortex uniques des pôles de Saturne.

  • De nouveaux résultats de la mission Juno ont été publiés dans le journal Nature après ceux déjà publiés dans Science. Jupiter apparaît comme une planète bien plus complexe que prévu avec des tourbillons polaires dont la stabilité est incomprise.
  • Son noyau pourrait ne pas être totalement solide et son puissant champ magnétique (1,5 fois plus fort que ce que l'on pensait) avoir une origine dans les couches supérieures. Les aurores polaires seraient alimentées par des particules chargées venues de l'intérieur de la planète.
  • Les jet-streams formant les bandes nuageuses de Jupiter se prolongent à 3.000 km sous la surface de la planète. En dessous, sa rotation est uniforme car l'hydrogène, devenu ionisé, est entraîné par les lignes du champ magnétique de Jupiter.
Pour en savoir plus

Jupiter : la sonde Juno transmet des images de cyclones jusque-là insoupçonnés

Article de Jean-Luc Goudet, publié le 26/05/2017

Le dernier portrait du pôle sud de Jupiter construit avec les images de la sonde Juno, de la Nasa, montre un extraordinaire paysage de cyclones géants. On savait la grande planète gazeuse agitée mais elle l'est encore plus que prévu. Traversant à basse altitude la puissante magnétosphère, l'engin spatial a découvert un secret jusque-là bien gardé : les aurores polaires sont alimentées depuis les profondeurs de l'atmosphère.

La sonde Juno en est à sa cinquième orbite autour de Jupiter et ses observations continuent de bousculer nos connaissances sur la géante gazeuse. Aujourd'hui, ce sont les régions polaires qui occupent le devant de la scène. La dernière image publiée par la Nasa (une composition de clichés pris par l'instrument JunoCam) montre le pôle sud.

Même en n'oubliant pas que le contraste des couleurs a été renforcé, ce portrait apparaît visuellement superbe et scientifiquement instructif. Elle donne à voir des cyclones en évolution, sans que l'on en connaisse bien la stabilité. Comme les autres observations, elle dessine un portrait de Jupiter bien plus complexe que ce que l'on imaginait, comme nous l'expliquions après les premiers résultats (voir l'article ci-dessous), avec des surprises sur le fonctionnement de son atmosphère, la nature de son noyau interne et la structure de son champ magnétique.

Le pôle sud de Jupiter observé par la sonde Juno alors qu'elle se trouvait à 52.000 km du sommet de l'atmosphère. Les structures ovales sont des cyclones, larges d'un millier de kilomètres pour les plus grands. Cette image est une mosaïque construite avec les photographies réalisées par l'instrument JunoCam lors de trois orbites (pour montrer toutes les régions éclairées par le Soleil). Les couleurs ont été contrastées. Nasa, JPL-Caltech, SwRI, MSSS, Betsy Asher Hall et Gervasio Robles

Des cyclones énormes et des aurores polaires dantesques 

Les survols des pôles de Jupiter ont été riches en surprises (les pôles sont très mal connus puisqu'ils sont peu visibles depuis la Terre), notamment celui du 27 août 2016, à seulement 4.200 km de la planète (des couches supérieures de son atmosphère plus précisément). Ils ont montré un monde chaotique, dominé par l'ammoniac et très différent des régions polaires de Saturne. Des cyclones y atteignent 1.400 km de diamètre.

Les aurores polaires, dantesques, sont entretenues par de puissants courants d'électrons qui proviennent non pas de l'espace, comme sur Terre, mais des profondeurs de Jupiter. C'est ce qu'a vu Juno lorsqu'elle a frôlé l'atmosphère. Ces observations viennent de faire l'objet de deux publications dans la revue Science et on en attend 44 dans la revue Geophysical Letters. Les résultats vont donc s'accumuler dans les prochains mois et la Nasa entretient le suspense en rappelant que Juno survolera la Grande Tache rouge le 27 juillet prochain.

Une vue du pôle sud de Jupiter prise par la sonde Juno. Le traitement de Gabriel Fiset, citizen scientist (scientifique citoyen), accentue le contraste entre les différents motifs dans la haute atmosphère. © Nasa, JPL-Caltech, SwRI, MSSS, Gabriel Fiset

Juno transmet des images et des données étonnantes de Jupiter

Article de Xavier Demeersman, publié le 10 mai 2017

Des chercheurs de la mission Juno, autour de Jupiter, ont levé le voile sur les premiers résultats basés sur les quatre orbites accomplis en 300 jours. Ce qui a été observé et mesuré les a plutôt déroutés : la planète géante n'est pas aussi uniforme qu'ils le pensaient. Parallèlement à ces données, les images prises par la sonde nous régalent.

Ces dernières semaines, nous avons beaucoup parlé des plongeons inédits de la sonde Cassini entre Saturne et ses anneaux, une série de passages qui sont réalisés dans le cadre du dernier volet de sa mission, le « Grand Final ». Mais il ne faut pas oublier, quasiment deux fois plus près de nous, à quelque 650 millions de km, la sonde Juno qui, régulièrement, passe au plus près de la planète géante.

Voilà 300 jours que ce vaisseau de la Nasa tourne autour de Jupiter, ce qui lui a laissé le temps de boucler quatre orbites, sur 33. Lors de chacune d'elles, qui lui prennent actuellement 53 jours terrestres, la sonde a pu effectuer des survols rapprochés de la haute atmosphère et l'observer durant six heures. Les images prises avec la JunoCam sont, comme promis et comme vous pouvez vous le constater, magnifiques, la géante gazeuse nous dévoilant son visage avec un niveau de détails sans équivalent.

Quant aux données collectées jusqu'ici par les instruments, elles n'ont pas manqué d'étonner les chercheurs qui travaillent dessus. Plusieurs d'entre eux ont fait le déplacement jusqu'à Vienne, entre le 23 et le 28 avril, pour offrir un premier aperçu des résultats à l'assemblée annuelle de l'European Geosciences Union.

Superbe ! La lune volcanique Io projette son ombre sur la Grande tache rouge de Jupiter. © Nasa, JPL-Caltech, Liroma-52

Un monde plus complexe que prévu

« Tout l'intérieur de Jupiter fonctionne différemment de nos modèles » témoigne le directeur scientifique de la mission, Scott Bolton du Southwest Research Institute (SwRI). Beaucoup de surprises, donc, et ce n'est qu'un début. La plus grosse planète du Système solaire, qui fut, par ailleurs, la première à se former il y a près de 4,6 milliards d'années, a encore beaucoup de choses à nous dire.

L'une des découvertes dont ils ont rendu compte concerne l'ammoniac. Ce gaz est présent partout dans la haute atmosphère mais les relevés de Juno ont révélé qu'un nuage plus dense ceinture l'équateur de la planète tandis que dans d'autres régions, les quantités sont bien moindres. D'après les chercheurs, cette hétérogénéité suggère l'existence d'un système météorologique dont le moteur est justement l'ammoniac. « Nous savions qu'il y a un pic à l'équateur, a expliqué Leigh Fletcher (université de Leicester). Mais les nouvelles mesures dans les micro-ondes montrent qu'il plonge vers les abîmes à 300 kilomètres sous le nuage ». Il pourrait donc y avoir un processus météorologique qui s'enfonce et agit plus profondément que prévu.

En outre, les premières données de la sonde laissent entrevoir une structure interne différente de celle, plutôt uniforme, jusqu'ici proposée par les modèles. Tout semble plus complexe. Pour le chercheur, les irrégularités observées trahissent un noyau (sa taille est estimée à 70.000 km) aux contours qui ne seraient pas solides mais mélangés à la couche supérieure, supposée d'hydrogène métallique.

Une grande tempête dans la partie droite, aux latitudes moyennes, se frotte à une zone dominée par d’autres conditions atmosphériques. © Nasa, JPL-Caltech, SwRI, MSSS, Roman Tkachenko

Une planète très tourmentée

Des irrégularités, l'équipe en a vu aussi dans le domaine du champ magnétique, plus puissant que prévu. Une complexité déroutante qu'ils interprètent comme une dynamo à l'œuvre dans des couches moins profondes, peut-être celle, supposée, d'hydrogène métallique, et non au niveau du noyau. « Le champ magnétique de Jupiter est spatialement complexe et il y a des déficits allant jusqu'à 2 gauss ailleurs, a indiqué Jack Connerney, qui travaille pour le Goddard Space Flight Center de la Nasa. Nous pourrions avoir besoin de beaucoup plus d'orbites pour résoudre ce problème. »

Jupiter est un monde très tourmenté, où les cyclones en mouvement dessinent des motifs fascinants. Certains de ces tourbillons ont la taille de la Terre. Glenn Orton a présenté plusieurs vidéos les montrant avec des détails fins, mais ces images n'ont pas encore été diffusées. Les ovales blancs au niveau des bandes équatoriales australes, peut-être constituées d'un mélange d'ammoniac et d'hydrazine, y figurent aussi.

Les aurores polaires enfin vues de près

Enfin, les aurores jupitériennes étaient également à l'honneur. Des images infrarouges ont pu régaler les spécialistes. Grâce à Juno, les chercheurs ont appris qu'elles prennent naissance, aux pôles, dans les régions riches en méthane et d'un ion contenant trois atomes d'hydrogène (H3+) et où la température se situe entre 500 et 950 kelvins (environ 230 à 680 °C). Là aussi, on attend avec impatience les vidéos qui ont été réalisées.

Junon, qui avait fait le vœu de voir à travers les nuages de son époux, Jupiter, devrait parvenir à ses fins. Ou presque.

  • Les images de cet article ont été traitées par différents contributeurs citoyens. Explorez la galerie ici.

Juno commence à percer les secrets de Jupiter

Article de Xavier Demeersman publié le 08/09/2016

Premiers regards de Juno sur la plus grande planète du Système solaire. Les huit instruments de la sonde spatiale ont commencé à la déshabiller. Pour le directeur de la mission, c'est à peine si on reconnaît Jupiter !

Venue de la Terre pour découvrir ce que la plus grosse planète du Système solaire, Jupiter, a dans le ventre, Juno vient de transmettre sa première moisson de données scientifiques. Arrivée le 4 juillet 2016, elle a bouclé la première des 36 orbites polaires et elliptiques programmées le 27 août. Ce jour-là, elle a survolé le pôle nord de la géante gazeuse à seulement 4.200 km. C'est la première fois que les scientifiques, et aussi le grand public, le découvrent grâce à des images capturées par la caméra dédiée, JunoCam.

Les huit instruments de la sonde spatiale étaient grands ouverts durant les six heures qu'a duré le survol de la planète de son pôle nord à son pôle sud. La totalité des six mégaoctets de données collectées a été transférée jusqu'aux bureaux de l'équipe scientifique, à environ 800 millions de kilomètres de là (40 minutes-lumière) en l'espace de 36 heures. Bien qu'elles soient en cours d'analyse et de traitement, les chercheurs sont déjà très heureux des premières découvertes.

Jupiter déshabillée dans l’infrarouge par l’instrument Jiram de Juno. À une longueur d'onde de 3,45 microns pour la moitié haute (on peut voir Io passer et une aurore se profiler. À 4,8 microns pour l'image du bas, montrant les émissions thermiques. © Nasa, JPL-Caltech, SwRI, MSSS

En terre inconnue : les pôles de Jupiter

« Premier aperçu du pôle nord de Jupiter et il ne ressemble à rien de ce que nous avions vu ou imaginé auparavant, commente le directeur scientifique de la mission, Scott Bolton (Southwest Research Institute). C'est plus bleu là-haut que dans les autres parties de la planète, il y a beaucoup de tempêtes, ajoute-t-il. Il n'y a aucun signe des bandes latitudinales et de ceintures auxquelles nous sommes habitués ». Pour le chercheur, c'est à peine si on reconnaît Jupiter ! En outre, « nous voyons des signes que les nuages ont des ombres, ce qui indique peut-être qu'ils sont à une altitude plus élevée que d'autres traits caractéristiques ».

L'une des découvertes les plus importantes qui a frappé l'équipe est l'absence d'une structure hexagonale coiffant le pôle de la géante, au contraire de Saturne, deuxième plus grande planète du Système solaire. Jupiter est « vraiment unique », ont-ils insisté.

Treize heures d’émissions radio de Jupiter sont visualisées dans cette vidéo. « Les signaux ont été transférés dans la gamme de fréquences audio et sont affichés dans un format similaire à une empreinte vocale, montrant l'intensité des ondes en fonction de la fréquence et de temps. Les intensités les plus larges sont indiquées dans les couleurs chaudes » a écrit la Nasa en introduction. © Nasa, JPL-Caltech, SwRI, MSSS

Sous la peau de Jupiter

Au cours du survol, l'instrument Jiram (Jovian Infrared Auroral Mapper), conçu par l'Agence spatiale italienne, a scanné la planète géante dans l'infrarouge, regardant « sous la peau de Jupiter » comme l'a illustré l'un de ses co-investigateurs, Alberto Adriani, de l'Istituto di Astrofisica e Planetologia Spaziali à Rome.

Plusieurs points chauds, jamais vus auparavant, ont ainsi été révélés. Et cerise sur le gâteau : une aurore jovienne australe a enfin été observée. « Maintenant, avec Jiram, nous voyons qu'elle est très lumineuse et bien structurée. Le haut niveau de détails dans les images nous en dira plus sur la morphologie des aurores et de la dynamique. »

À l'occasion de ce premier tour, Juno a aussi enregistré les émissions radio internes de la géante gazeuse. « Jupiter nous parle de la façon dont seuls les mondes géants et gazeux peuvent le faire » résume Bill Kurth, coresponsable de Waves, instrument chargé de détecter la signature des particules énergétiques générant les aurores, les plus puissantes du Système solaire, qui couronnent le pôle nord de Jupiter. « Maintenant, nous allons essayer de comprendre d'où viennent les électrons. »

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