Comment les ions « surfants » de Jupiter font un spectacle de lumière spectaculaire


Après avoir déconcerté les chercheurs pendant des décennies, de nouvelles lectures de la NASA et de l’ESA ont révélé la cause des aurores chaotiques de Jupiter.

Sur la cinquième planète du soleil, un spectacle de lumière éblouissant a déconcerté les chercheurs pendant des décennies. Les aurores de Jupiter nous rappellent celles de la Terre mais ne suivent aucune de nos règles.

Cependant, un nouveau document de recherche a finalement déchiffré ce qui se passe et pourrait offrir un aperçu de Saturne, Uranus, Neptune et même des planètes en dehors de notre système solaire.

Les aurores sont des flux de lumières rouges et vertes qui apparaissent dans le ciel – le plus célèbre sur Terre à une ceinture entourant les pôles magnétiques entre 65 et 80 degrés de latitude.

Plus communément appelées aurores boréales, il existe également une contrepartie méridionale tout aussi spectaculaire (appelée aurores australes).

Jupiter propose des spectacles de lumière comparables, mais avec quelques différences clés. Le plus remarquable est leur indépendance. Sur Terre, il existe un lien entre les aurores nord et sud, alors qu’il n’y en a pas sur Jupiter.

Lorsque l’ESA a examiné Jupiter, elle a découvert que les aurores méridionales pulsaient toutes les 11 minutes, tandis que le pôle nord s’embrasait de manière chaotique et sporadique.

Les « couleurs » aux rayons X de ces aurores montrent qu’elles sont déclenchées par des particules chargées électriquement appelées ions qui s’écrasent dans l’atmosphère de Jupiter. Mais les astronomes n’avaient aucune idée de la façon dont les ions pouvaient atteindre l’atmosphère en premier lieu.

En combinant les données du télescope XMM-Newton de l’ESA et du vaisseau spatial Juno de la NASA, cette dernière recherche a résolu ces énigmes et compris la mécanique des aurores de Jupiter.

Un avantage particulier est venu de la présence de Junon autour de la planète et de sa capacité à observer de près ce qui se passe.

C’est ainsi que Zhonghua Yao, Institut de géologie et de géophysique, Académie chinoise des sciences, Pékin, et auteur principal de la nouvelle étude, a pu voir au-delà des modèles précédents et expliquer le comportement étrange de Jupiter.

Sur Terre, les aurores ne sont visibles que dans une ceinture entourant les pôles magnétiques. Au-delà de cette ceinture, les émissions aurorales disparaissent car les lignes de champ magnétique ici quittent la Terre et se connectent au champ magnétique du vent solaire.

Celles-ci sont appelées lignes de champ ouvert et dans l’image traditionnelle, les régions polaires de haute latitude de Jupiter ne devraient pas émettre d’aurores importantes.

Les aurores à rayons X de Jupiter ne suivent cependant pas cette image. Ils existent vers le pôle de la ceinture aurorale principale, pulsent régulièrement, et peuvent parfois être différents au pôle nord du pôle sud.

Ce sont des caractéristiques typiques d’un champ magnétique fermé, où la ligne de champ magnétique sort de la planète à un pôle et se reconnecte avec la planète à l’autre.

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À l’aide de simulations informatiques, Yao et ses collègues ont prédit que les aurores à rayons X pulsées de Jupiter pourraient être liées à des champs magnétiques fermés générés à l’intérieur de la planète, puis s’étendre sur des millions de kilomètres dans l’espace avant de faire demi-tour.

Les 16 et 17 juillet 2017, le vaisseau spatial Juno était exactement là où il devait être selon les simulations de Yao. XMM-Newton a observé Jupiter en continu pendant ces 26 heures et a vu des aurores X pulser toutes les 27 minutes.

Les chercheurs ont donc parcouru les données sur Juno à ces moments-là pour essayer de trouver des lectures magnétiques qui pourraient donner un aperçu des processus en cours.

Et puis, eurêka – ils ont trouvé leurs informations. Les aurores à rayons X pulsées étaient causées par les fluctuations du champ magnétique de Jupiter, clairement visibles à partir des lectures.

Lorsque la planète tourne, elle traîne autour de son champ magnétique. Le champ magnétique est alors frappé directement par les particules du vent solaire et comprimé.

Ces compressions chauffent les particules piégées dans le champ magnétique de Jupiter. Cela déclenche un phénomène appelé ondes électromagnétiques cyclotron ioniques (EMIC), dans lequel les particules ioniques sont dirigées le long des lignes de champ.

Ces particules ioniques sont guidées par le champ et « surfent » sur l’onde EMIC à travers des millions de kilomètres d’espace, finissant par s’écraser dans l’atmosphère de la planète et déclenchant l’aurore à rayons X.

« Ce que nous voyons dans les données Juno, c’est cette belle chaîne d’événements », a déclaré William Dunn, Mullard Space Science Laboratory à l’University College London, qui a codirigé la recherche.

«Nous voyons la compression se produire, nous voyons l’onde EMIC déclenchée, nous voyons les ions, puis nous voyons une impulsion d’ions se déplacer le long de la ligne de champ. Et puis quelques minutes plus tard, XMM voit une rafale de rayons X.

Maintenant que le processus responsable des aurores X de Jupiter a été identifié pour la première fois, les chercheurs sont conscients d’un processus fondamental qui pourrait guider les recherches futures.

Par exemple, à Jupiter, le champ magnétique est rempli d’ions de soufre et d’oxygène qui sont crachés par les volcans de la lune Io. À Saturne, la lune Encelade projette de l’eau dans l’espace, remplissant le champ magnétique de Saturne d’ions d’eau.

Bien que chaque planète soit différente, ces similitudes de processus donnent même un aperçu des aurores sur Terre.

Dans le cas de la Terre, l’ion responsable est un proton, qui provient d’un atome d’hydrogène, et le processus n’est pas assez énergétique pour créer des rayons X.

Cependant, le processus de base est le même. L’aurore à rayons X de Jupiter est aussi fondamentalement une aurore ionique, juste à une énergie beaucoup plus élevée que l’aurore à protons ici sur Terre.

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