Aurores sur Jupiter : un mystère de 40 ans résolu

Pour la première fois, des astronomes ont observé l'ensemble du mécanisme de formation des aurores à rayons X sur Jupiter. Pour les chercheurs, ce processus pourrait se produire « dans de nombreuses autres parties de l'Univers ». La sonde spatiale Juno de la NASA et le télescope XMM-Newton de l’ESA ont été mis à contribution.

« Les aurores de Jupiter émettent toutes sortes de rayonnements, parmi lesquels de puissants flashs de rayons X. Ceux-ci sont d’autant plus intrigants qu’ils se répètent souvent toutes les 10 à 40 minutes », rappelle l’Université de Liège. Leur origine restait par contre un mystère pour les scientifiques.

Le Dr Zhonghua Yao, chercheur à la Chinese Academy of Sciences et membre du Laboratoire de Physique Atmosphérique et Planétaire de l’Université de Liège explique ce phénomène : « Ces aurores en rayons X sont causées par des ions d’oxygène et de soufre qui proviennent de la lune volcanique Io [un satellite naturel de Jupiter, ndlr] et qui, après s’être répandus dans toute la magnétosphère de Jupiter, sont accélérés avant d'être précipités dans l'atmosphère polaire de Jupiter ». Un sujet qu’il connait bien puisqu’il est le premier auteur de la publication scientifique dans Science Advances.

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Une sonde (NASA) et un télescope (ESA) main dans la main

Pour arriver à ce résultat, les chercheurs se sont basés à la fois sur des données de la sonde Juno et des mesures d’un télescope spatial en orbite autour de la Terre. C’est bien la combinaison des deux instruments qui permet d’arriver au résultat, l’un ou l’autre seul ne pouvait être suffisant.

Bertrand Bonfond, chercheur au LPAP et co-auteur de l’étude, explique pourquoi :

« On pourrait croire, naïvement, que les observations des planètes depuis la Terre sont superflues, puisque l’on peut envoyer des sondes sur place. Rien n’est moins vrai, car les instruments qui mesurent les particules ou le champ magnétique d’une planète ne peuvent effectuer leurs observations que d’un seul endroit à la fois.

Les télescopes au sol ou en orbite autour de la Terre fournissent une vue globale qui placent les observations de sondes spatiales telles que Juno, dans ce cas précis, dans leur contexte. De plus, les sondes spatiales ne sont pourvues que d’un nombre limité d’instruments et aucune caméra à rayons X n’a jamais été embarquée sur une sonde pour étudier Jupiter ».

Les aurores sur Terre et Jupiter

Zhonghua Yao a remarqué que quelque chose clochait au niveau des aurores à rayons X de Jupiter, du moins par rapport à ce que l’on connait de ce phénomène sur Terre où les aurores ne sont visibles que sur une ceinture avec des latitudes comprises entre 65 et 80°. Au-delà de 80°, « les lignes de champ magnétique quittent la Terre et se connectent au champ magnétique du vent solaire ».

On aurait pu retrouver le même phénomène sur Jupiter, mais ce n’est pas le cas. Des aurores de rayons X sont présentes aux pôles et peuvent même être différentes entre le Nord et le Sud. Un mystère qu’il fallait donc résoudre.

L’équipe de Yao avait déjà découvert que les aurores à rayons X « pouvaient être liées à des champs magnétiques fermés générés à l'intérieur de Jupiter, qui s’étendent ensuite sur des millions de kilomètres dans l'espace avant de faire demi-tour ». D’immenses boucles en quelque sorte, qui finissent par revenir au lieu de quitter définitivement la planète. Des mesures confirment cette hypothèse. 

Des aurores toutes les 27 minutes

Les 16 et 17 juillet 2017, le télescope XMM-Newton de l’Agence spatiale européenne (ESA) a observé Jupiter en continu pendant près de 26 heures. Il a alors « vu » des aurores à rayons X pulser à intervalle régulier, toutes les 27 minutes pour être précis.

À ce moment-là, Juno « se trouvait approximativement à 4 500 000 km de Jupiter, au cœur de sa magnétosphère, précisément sur les lignes de champ magnétique reliées à ces aurores », explique l’université de Liège. Quand nous parlions de boucles géantes à des millions de kilomètres, Juno était donc en plein dedans et a donc pu prendre des mesures.

La sonde décrit une orbite fortement elliptique, l’amenant jusqu’à 4 200 km seulement de la planète avant de s’en éloigner jusqu’à 8 millions de kilomètres. 

L‘analyse des données de Juno donne un premier indice aux chercheurs : « des oscillations du champ magnétique qui avaient justement la même période que les flashs auroraux », cela ne pouvait donc pas être une coïncidence. « Ils se sont alors tournés vers des simulations numériques de la magnétosphère pour rechercher l’origine de ces oscillations et ils ont trouvé qu’elles étaient probablement générées par la friction du vent solaire sur les couches externes de la magnétosphère ».

La pièce manquante : les ondes EMIC

Zhonghua Yao tempère : « ces oscillations lentes du champ magnétique vibrent certes au même tempo que les aurores X, mais elles ne peuvent pas, à elles seules, accélérer les ions ». Il manquait donc toujours une pièce du puzzle pour arriver aux aurores à rayons X. La réponse se trouve dans les ondes électromagnétiques ions-cyclotron (aussi appelées ondes EMIC).

« Ces ondes sont excitées par les oscillations lentes du champ magnétique, et elles ont justement la bonne fréquence pour permettre aux ions de "surfer" dessus et de gagner de la vitesse, jusqu’à ce qu’elles percutent l’atmosphère et génèrent les bouffées de rayons X », explique l’université.

L’ESA aussi y va de son explication de manière plus imagée :

« Lorsque la planète tourne, elle entraine avec elle son champ magnétique. Le champ magnétique est frappé par les particules de vent solaire et se retrouve comprimé. Cette compression fait chauffer des particules piégées dans le champ magnétique de Jupiter. Cela déclenche un phénomène appelé ondes électromagnétiques ions-cyclotron (EMIC), dans lesquelles les particules se dirigent ».

« Les particules sont des atomes chargés électriquement appelés ions […] Les ions "surfent" sur les ondes EMIC sur des millions de kilomètres dans l’espace, et finissent par s'écraser dans l'atmosphère de la planète en déclenchant des aurores à rayons X ».

William Dunn, co-auteur et membre de l’université de Liège, affirme qu’il ne s’agit pas de science-fiction : « Nous voyons ce bel enchainement d’événements dans les données de Juno. Nous voyons la compression se produire, nous voyons l'onde EMIC se déclencher, nous voyons les ions, puis nous les voyons se déplacer […] Et, quelques minutes plus tard, XMM voit une rafale de rayons X ».

Même chose sur Saturne, Uranus, Neptune et d’autres ?

Zhonghua Yao élargit cette conclusion à d’autres planètes : « Il n’y a aucune raison pour que ces jeux complexes entre ondes et particules, en particulier le rôle des ondes EMIC, soient une particularité de Jupiter. Sur Terre, les ondes EMIC accélèrent aussi des protons dans l’atmosphère aurorale. Il s'agit d'un processus fondamental qui s'applique à Saturne, Uranus, Neptune et probablement aussi aux exoplanètes ». Il pense que cela pourrait aussi s’étendre à des structures bien plus grosses comme des amas de galaxies.

Pour William Dunn, « il se pourrait que les ondes EMIC jouent un rôle important dans le transfert d'énergie d'un endroit à un autre à travers le cosmos ».

Dans tous les cas, l’étude des aurores de Jupiter devrait reprendre de plus belle dans quelques années avec la sonde JUICE (JUpiter ICy moons Explorer) de l'ESA. Lancement prévu en 2022, arrivé sur place en 2029.