Jupiter, tout comme la Terre, possède des aurores polaires mais elles sont gigantesques. Au fil des décennies, en utilisant les observations des sondes spatiales in situ, les planétologues découvrent comment les lunes principales de Jupiter, comme Io et Ganymède, contrôlent et provoquent ces aurores.
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GanymèdeGanymède est une des lunes galiléennes autour de JupiterJupiter. Son originalité par rapport à IoIo, la volcanique, et Europe, la glacée, c'est d'être le plus gros satellite d'une planète du Système solaire, surpassant la Lune autour de la Terre, et également la seule lune à posséder son propre champ magnétique.
Cette dernière propriété conduit à des conséquences pour Jupiter elle-même et sa magnétosphère. Comme les trois autres lunes de la géante gazeuse, CallistoCallisto comprise, Ganymède provoque et influe sur les aurores polairesaurores polaires de Jupiter. La sonde Junosonde Juno a conduit à une nouvelle découverte à ce sujet comme le montre un article publié dans Geophysical Research Letters.
Un communiqué du Southwest Research Institute l'accompagne dans lequel il est expliqué que le 8 novembre 2020 les instruments de Juno ont révélé l'existence d'un intense flux d'électronsélectrons en provenance de Ganymède et à destination des pôles de Jupiter.
Il s'agissait de deux instruments sous le contrôle de chercheurs du SwRI, le Jovian Auroral Distributions Experiment (Jade) et un spectromètrespectromètre ultravioletultraviolet (UVS). En complément, le détecteur de champ magnétique de Juno construit au Goddard Space Flight CenterGoddard Space Flight Center de la NasaNasa a aussi été utilisé.
Des ondes magnétiques provoquées par le sillage de Ganymède
Jade a caractérisé le flux d'électrons guidés par des lignes de champ magnétique entre Ganymède et Jupiter, alors que UVS mesurait les émissionsémissions de lumièrelumière dans l'ultraviolet produites par la pluie d'électrons sur les pôles en conjonctionconjonction. Mais, contrairement aux observations précédentes, ce flux d'électrons n'était pas associé à de grandes perturbations des lignes de champ magnétique, ce qui fait dire à l'un des coauteurs de l'étude publiée, l'astrophysicienastrophysicien Bertrand Bonfond de l'université de Liège en Belgique : « si notre interprétation est correcte, il s'agit d'une confirmation d'une théorie vieille de dix ans que nous avons élaborée pour expliquer la morphologiemorphologie des empreintes aurorales ». On devrait certainement en savoir plus avec la mission Juice que prépare l'ESAESA.
Une présentation des découvertes concernant les origines des aurores polaires sur 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 ». © Southwest Research Institute
Ce qui est certain, c'est que le mouvementmouvement orbital de Ganymède emportant son propre champ magnétique provoque des « vaguesvagues » dans la magnétosphère de Jupiter et que ce sont ces ondes, théorisées il y a longtemps par le prix Nobel de physiquephysique Hannes Alfvén, qui par des processus de magnétohydrodynamique et de physique des plasmas accélèrent les électrons qui vont ensuite, tout comme dans le cas de la Terre, produire des aurores polaires en entrant en collision avec les moléculesmolécules de la haute atmosphèreatmosphère de Jupiter. Comme il se doit, ces aurores sont nettement plus spectaculaires que dans le cas de la Terre où, par contre, la Lune ne joue aucun rôle, n'ayant plus son champ magnétique propre.
On sait toutefois que Europe, Callisto et surtout Io en sont responsables également, en raison de connexions magnétiques de leurs aurores propres sur Jupiter, comme Futura l'expliquait dans les précédents articles ci-dessous. En fait, le plasma qui intervient dans ces processus est sous le contrôle des éruptions de Io qui contribuent à le former par les ionsions qu'elles injectent dans la magnétosphère de Jupiter.
Juno révèle les secrets des tempêtes de l'aube sur Jupiter
Article publié par Laurent SaccoLaurent Sacco le 19/03/2021
Depuis 1994, grâce aux observations de HubbleHubble, on connaissait des aurores polaires spectaculaires sur Jupiter baptisées « tempêtestempêtes de l'aubeaube ». 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 équationséquations 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 oragesorages, les volcansvolcans, les vagues de l'océan, les aurores et les couchers de soleilsoleil 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 nuagenuage 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 gazgaz 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 GalileoGalileo concernant Jupiter mais celles de Juno qui complètent d'ailleurs les études menées depuis l'orbiteorbite terrestre avec le télescopetélescope 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 dynamoeffet 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 gravitégravité, 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 solairevent solaire qui intervient dans le cas de notre Planète alors que, dans le cas de Jupiter, les apports d'ions et d'énergieénergie 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.
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 nocturnenocturne 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 diurnediurne, 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 recombinaisonsrecombinaisons 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.
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 volcanismevolcanisme sur Io, ils ont été surpris par l'activité et la diversité des lunes de SaturneSaturne, et même par NeptuneNeptune et son cortège de satellites. À cet égard, PlutonPluton et CharonCharon n'ont pas déçu non plus.
André BrahicAndré 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 protonsprotons, des noyaux d'héliumhélium 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 électriqueschamps électriques les accélèrent.
Elles entrent alors violemment en collision avec les molécules et, surtout, avec les ions situés dans l'ionosphèreionosphère 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 néontube néon en réponse. C'est ainsi que naissent les aurores polaires.
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 stochastiquesstochastiques et qui relèvent de la physique de la turbulenceturbulence. Comme les aurores joviennes sont les plus brillantes du Système solaire, les astrophysiciens pensaient, là aussi, que ce deuxième mécanisme d'accélération était secondaire.
Le saviez-vous ?
Hannes Alfvén (1908-1995) est un astrophysicien suédois qui a beaucoup contribué à la constitution d'une « électrodynamique cosmique ». Il a saisi l’importance de cette dernière pour comprendre les phénomènes astrophysiques ; elle est un complément indispensable à la mécanique céleste basée sur les lois de la gravitation.
Il a proposé le terme « magnétohydrodynamique » en 1942. Brillant dans ses travaux sur la physique de la magnétosphère des planètes et des étoiles ainsi que sur la cosmogonie du Système solaire, il se fourvoiera, hélas, plus tard en critiquant la théorie du Big Bang (tout comme Fred Hoyle, il fut incapable d’en comprendre le bien-fondé).
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 ».
La morale de cette histoire est qu'il vaut mieux être prudent lorsqu'il s'agit de transposer aux exoplanètesexoplanètes 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 2Voyager 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 maréemarée, 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 soufresoufre produit essentiellement par des éruptions volcaniqueséruptions volcaniques. Les 10 % restants sont constitués de divers composés présents à l'état de traces.
L'ionosphère de Io est constituée d'ions de soufre, d'oxygèneoxygène et de sodiumsodium. 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'électromagnétismeélectromagnétisme imposent que cela génère des courants électriquescourants 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.
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.
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 nébuleusenébuleuse 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.
