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

Sciences

Jupiter : la sonde Juno découvre des changements de son champ magnétique

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Le champ magnétique de Jupiter est l'un des plus grands du Système solaire. Sa cartographie débutée avec les sondes Pioneer, puis précisée par la sonde Juno a révélé plusieurs surprises. Bien différent de celui de la Terre actuelle, il possède par exemple un second pôle sud juste sous l'équateur de Jupiter et on sait maintenant que ce champ évolue dans le temps comme pour celui de la Terre.

Cela fait environ deux siècles que l'on connait les variations dans le temps du champ magnétique de la Terre et plus d'un siècle que l'on a découvert ses inversions sur une bien plus grande période de temps. Cela fait pourtant moins d'un siècle que l'on a une idée relativement claire de l'origine du champ magnétique de notre planète, via une géodynamo auto-excitatrice, et c'est seulement depuis le début du XXIe siècle que l'on commence à reproduire en laboratoire son fonctionnement en particulier avec la célèbre expérience VKS.

Planétologues et astrophysiciens sont raisonnablement sûrs que les magnétosphères intenses associées au Soleil et à des géantes gazeuses, comme Jupiter et Saturne, sont aussi le fruit d'une telle dynamo bien qu'il y ait des différences. Le plasma à l'intérieur du Soleil n'est évidement pas semblable à l'alliage de fer-nickel liquide dans le noyau de la Terre, et encore moins que l’hydrogène liquide qui devient même un métal conducteur à hautes pressions dans les entrailles de Jupiter.

On devait donc s'attendre à observer des variations dans le temps des magnétosphères de ces astres et c'est bien ce que vient de confirmer, dans le cas de Jupiter, une équipe de chercheurs états-uniens dans un article publié dans le célèbre journal Nature Astronomy.

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

Un magnétisme particulièrement variable pour la Grande Tache bleue

Pour arriver à cette conclusion, les planétologues se sont notamment basés sur la cartographie en cours de la magnétosphère de Jupiter par la sonde Juno. Cartographie qui a déjà permis de découvrir des différences avec le champ magnétique, principalement dipolaire de la Terre, puisque comme l'expliquait Futura dans le précédent article ci-dessous, Juno a découvert un second pôle sud juste sous l'équateur de Jupiter.

Aux mesures précises de la sonde de la Nasa toujours en orbite autour de la géante, ont été ajoutées les mesures disparates et anciennes fournies par les survols des sondes Pioneer 10 et 11, puis Voyager 1,  dans les années 1970 et, enfin, la sonde solaire Ulysses qui, en février 1992, s'est approchée de Jupiter pour bénéficier de son assistance gravitationnelle afin de quitter le plan écliptique des planètes du Système solaire, ce qui lui a permis de survoler les hautes latitudes du Soleil.

Les changements, mis en évidence dans la magnétosphère de Jupiter sur une période de presque 40 ans, sont faibles mais ils sont bien réels et ils permettent déjà de poser des contraintes sur ce qui se passe à l'intérieur de la géante et même d'apporter un début d'explication sur leur occurrence.

Selon les planétologues, ils sont en relation avec les vents zonaux (suivant un parallèle) de Jupiter, bien visibles avec ces bandes nuageuses caractéristiques. Ces vents s'enfonceraient profondément, jusqu'à 3.000 km, sous la surface de Jupiter, c'est-à-dire justement aux profondeurs où l'hydrogène se comporte comme un liquide métallique conducteur. Il se produit alors des phénomènes de magnétohydrodynamique bien connus où les lignes de champ magnétiques « gèlent », c'est-à-dire qu'elles deviennent liées aux mouvements de la matière conductrice qui va donc les déformer en fonction de son écoulement.

Remarquablement, c'est au niveau du troisième pôle magnétique de Jupiter, baptisée la Grande Tache bleue, que les astrophysiciens ont découvert l'évolution temporelle du champ magnétique la plus importante.

  • Sur une orbite elliptique polaire la faisant passer à seulement 4.000 km de la surface de Jupiter tous les 53 jours environ, la sonde Juno permet une cartographie précise du champ magnétique.
  • Elle vient de révéler un champ magnétique plus complexe que prévu, asymétrique avec un hémisphère nord complexe et un troisième pôle magnétique sud juste sous l'équateur de Jupiter.
  • En combinant les mesures faites depuis presque 40 ans avec les diverses sondes qui ont étudié son champ magnétique, on sait maintenant qu'il évolue dans le temps tout comme dans le cas de la Terre.
  • Ces données vont nourrir des simulations de l'intérieur de Jupiter en posant des contraintes sur la dynamo auto-excitée engendrant un champ né des courants de convection de l'hydrogène métallique fluide au centre de la planète.
Pour en savoir plus

Jupiter a trois pôles magnétiques : une belle découverte de la sonde Juno

Article de Laurent Sacco publié le 14/09/2018

Le champ magnétique de Jupiter est le plus grand du Système solaire, après celui du Soleil lui-même. Sa cartographie, précisée par la sonde Juno, en orbite autour de la géante, a révélé plusieurs surprises. Bien différent de celui de la Terre actuelle, il possède par exemple un second pôle sud juste sous l'équateur de Jupiter.

La sonde spatiale Juno a pris le relais de Galileo lorsque la Nasa a réussi sa mise en orbite autour de Jupiter le 4 juillet 2016. Ses prédécesseurs, comme les sondes Voyager, avaient déjà permis de sonder et de commencer à cartographier le champ de gravité et le champ magnétique de Jupiter. Mais sur son orbite polaire elliptique lui faisant survoler la surface de la géante gazeuse à seulement 4.000 km tous les 53 jours environ, Juno permet de faire beaucoup mieux.

Tout comme pour la Terre, la mesure précise des caractéristiques de ces champs permet de remonter à la structure interne de la planète, ce qui, en retour, donne des informations et des contraintes sur la formation et donc l'origine de Jupiter, indirectement aussi sur l'origine du Système solaire. En bonus et en complément, Juno permet aussi d'étudier la dynamique et la composition de l'atmosphère de Jupiter et son évolution.

Les astrophysiciens et planétologues attelés à l'étude du champ magnétique de Jupiter viennent de publier les derniers résultats de leurs travaux dans un article de Nature. Ils annoncent que ce champ est très particulier, ne ressemblant pas à celui produit par la Terre.

Juno révèle le champ magnétique complexe et asymétrique de Jupiter

De manière générale, de la même façon qu'un son est une composition de plusieurs ondes simples, chacune d'une fréquence et d'une amplitude données, le champ magnétique d'une planète peut être décomposé en ce que l'on appelle une somme d'harmoniques sphériques. Le premier terme de cette somme représente l'équivalent du champ d'un aimant simple avec deux pôles. Il existe donc des champs plus complexes avec une structure qui peut être très variable. Par analogie, on peut prendre l'exemple de la surface de la Terre qui n'est pas celle d'un simple ellipsoïde de rotation du fait de la topographie.

Dans le cas de Jupiter, les mesures de Juno révèlent un hémisphère nord avec un champ magnétique assez tourmenté, avec des harmoniques différentes de celles d'un aimant plus importantes que celui de la Terre. Surtout, les survols rapprochés ont permis d'établir la présence d'une sorte de second pôle sud juste au-dessous de l'équateur.

Les planétologues s'interrogent sur la signification de ces caractéristiques asymétriques du champ magnétique de Jupiter. Sur Terre, le champ est beaucoup plus symétrique et il est produit par une dynamo auto-excitée, qui est reproduite dans l'expérience VKS ou à l'aide de simulations numériques gourmandes en calculs. Cette dynamo repose sur l'existence de courants de convection turbulents affectés par la rotation de notre planète dans la partie liquide du noyau composé d'un alliage de fer et de nickel.

Bien sûr, Jupiter n'est pas la Terre. La géante gazeuse est composée très majoritairement d'hydrogène et d'hélium, qui ne sont pas des fluides censément conducteurs. Cependant, tout change à grandes profondeurs et à hautes pressions. L'hydrogène se comporte alors comme un métal qui peut rester fluide dans certaines conditions. Il devient donc conducteur et peut être entraîné dans des courants de convection, animés par la chaleur d'accrétion laissée par la formation de Jupiter et qui ne se dissipe qu'en un temps très long, se mesurant en milliards d'années.

Pour rendre compte de la complexité du champ magnétique de Jupiter, plusieurs explications ont été avancées, de la présence d'un noyau rocheux, suspecté depuis quelque temps, jusqu'à l'existence de régions sans convection du fait de leurs compositions particulières en hélium. Juno va poursuivre sa collecte de données qui nourriront des simulations numériques de plus en plus performantes avec la montée en puissance des ordinateurs. Il sera peut-être possible, dans un avenir proche, de départager les différents modèles de l'intérieur de Jupiter.

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