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Posté par Adrien le Mardi 20/06/2017 à 00:00
Les émissions radio de Jupiter vues par Juno
Le 26 mai 2017 est paru un numéro spécial de la revue Geophysical Research Letters rassemblant plus d'une quarantaine d'articles portant sur l'analyse des données de la sonde Juno de la NASA. Trois de ces articles relayent les travaux des chercheurs de l'Observatoire de Paris (L'Observatoire de Paris est né du projet, en 1667, de créer un observatoire astronomique équipé de bons instruments permettant d'établir des cartes pour la navigation. Il vient en...), tous membres de l'équipe du pôle "plasmas" du Laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation (Le mot instrumentation est employé dans plusieurs domaines :) en astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et...).

Les travaux se focalisent sur les intenses émissions radio de Jupiter. Celles-ci sont observées depuis longtemps: à la fois au sol, par exemple au réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet), on appelle nœud (node) l'extrémité...) décamétrique de la station de radioastronomie (La radioastronomie est une branche de l'astronomie qui s'occupe de l'observation du ciel dans le domaine des ondes radio. C'est une science relativement jeune qui a fait ses débuts dans les années 1930.) de Nançay, et depuis l'espace par de nombreuses sondes (Voyager, Ulysses, Galileo (Galileo est le nom du futur système de positionnement par satellites européen, en test depuis 2004, qui commencera à être utilisable en 2010 et le sera...), Wind (WIND est un satellite de la NASA lancé le 1er novembre 1994 depuis la base de Cape Canaveral par un lanceur Delta II. De forme cylindrique de 2,4 mètres de diamètre pour 1,8 mètres de...), Cassini (La mission Cassini-Huygens est une mission spatiale automatique réalisée en collaboration par le Jet Propulsion Laboratory (JPL), l'Agence spatiale européenne (ESA) et l'Agence spatiale italienne...),...). mais ces observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et...) se font toujours à partir du voisinage (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la topologie. La topologie traite plus naturellement les notions globales comme la continuité qui s'entend ici comme la...) du plan équatorial.

Juno nous en fournit les premières observations depuis les pôles, et à très courte distance (<10000 km).

En préparation des observations de Juno, l'équipe de l'Observatoire de Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la...) a développé un code de simulation. Baptisé SERPE (Simulateur des Emission Radio Planétaires et Exoplanétaires, soit en anglais ExPRES= Exoplanetary and Planetary Radio Emissions Simulator), ce code se fonde sur la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur...) de génération de ces émissions (l'instabilité Maser Cyclotron (Le cyclotron est un type d’accélérateur circulaire inventé par Ernest Orlando Lawrence en 1931. Dans un cyclotron, les particules placées dans un champ...) = IMC) et la description du magnéto-plasma jovien pour prédire les spectres dynamiques (Occurrence des émissions en fonction du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) et de la fréquence) devant être détectés par un observateur quelconque, fixe ou mobile, par exemple Juno.

On sait que les émissions radio sont produites par l'IMC dans un feuillet cônique très ouvert centré sur le champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et d'une...) dans la source (celle-ci s'étirant le long des lignes de champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétiques plongeant dans les aurores ou connectées à Io, Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un continent à part entière, mais aussi comme l’extrémité occidentale du continent...) ou Ganymède).

Se posent ainsi deux grandes questions:

- L'émission est-elle produite perpendiculairement au champ magnétique dans la source (par des électrons ayant une distribution en "coquille") ou dans une direction oblique (par des électrons ayant une distribution en "cone de perte") ?
- Quelle est l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) des électrons émetteurs ? La réponse a une conséquence directe sur notre compréhension de l'accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique, l'accélération est une grandeur vectorielle qui indique la modification...) des électrons dans la magnétosphère (La magnétosphère est la région entourant un objet céleste dans lequel les phénomènes physiques sont dominés ou organisés par son champ magnétique.) de Jupiter, avec des conséquences astrophysiques (exoplanètes notamment).

Les trois articles parus récemment apportent quelques éléments de réponse.

Premier article

L'article de Kurth et al. décrit les observations radio de Juno (instrument Waves) autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres...) du premier périJove (le 27/8/2016). Les spectres dynamiques révèlent des émissions radio en forme de "V", attribuables à des sources concentrées sur un petit faisceau de lignes de champ magnétique (points chauds auroraux ou tube magnétiques satellite-Jupiter).


Observations de l'instrument Waves (à droite) lors du périJove 1 (à gauche). Sur le diagramme de droite (de Kurth et al., GRL, 2017), la ligne noire est la fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le mot...) cyclotron électronique locale. Les événements A,B,C,D,E correspondent à de possibles traversées de sources radio.
© NASA (La National Aeronautics and Space Administration (« Administration nationale de l'aéronautique et de l'espace ») plus connue sous son abréviation NASA, est l'agence gouvernementale responsable du programme spatial des États-Unis...), GRL

À plusieurs reprises, la fréquence des émissions radio devient inférieure ou égale à la fréquence cyclotron des électrons locale, traduisant une traversée des sources par la sonde (Une sonde spatiale est un vaisseau non habité envoyé par l'Homme pour explorer de plus près des objets du système solaire et, pour certaines, l'espace qui est au-delà. Cela couvre à la fois les mesures in situ (champs électriques et...) (par analogie avec les observations sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse...) et près de Saturne).

A ces moments, les électrons mesurés par l'instrument JADE (Le jade est une pierre gemme très dure et tenace employée en ornementation et en joaillerie.) correspondent à un cône de perte de quelques keV, favorisant donc des émissions obliques (une étude détaillée est présentée dans un autre article de la revue "Geophysical Research Letters" issus de scientifiques de l'IRAP: Louarn et al.).

Ces résultats, qui restent à confirmer par de nombreuses autres études de cas, suggèrent que l'IMC est un mécanisme universel.

Sur Jupiter, comme sur Saturne, où l'essentiel du plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées (d'ions et d'électrons). Le plasma quark-gluon est un plasma qui constituerait les grandes étoiles à neutrons avant...) est confiné près de l'équateur par la rotation rapide de la magnétosphère, l'IMC semble pouvoir opérer partout au-dessus des régions de haute latitude (La latitude est une valeur angulaire, expression du positionnement nord-sud d'un point sur Terre (ou sur une autre planète), au nord ou au sud de l'équateur.) magnétique, alors que sur Terre, il ne se produit que dans des "cavités" aurorales.

Deuxième article

L'article de Louis et al. démontre que les simulations ExPRES "obliques" à partir d'électrons d'énergie quelques keV reproduisent remarquablement bien les émissions induites par Io dans le champ magnétique de Jupiter, observées à basse comme à haute latitude, démontrant ainsi la bonne compréhension des mécanismes en jeu.


Simulation ExPRES comparée avec un spectre dynamique observé par Waves (de Louis et al., GRL, 2017). Quand l'angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) d'émission prédit (en haut) est ?70°, la correspondance (La correspondance est un échange de courrier généralement prolongé sur une longue période. Le terme désigne des échanges de courrier personnels plutôt qu'administratifs.) simulations-observations est excellente.
© Louis et al. (GRL, 2017)

Cette bonne correspondance simulations-observations n'est obtenue que quand la sonde Juno est dans le même hémisphère que la source radio étudiée, les émissions prédites en provenance de l'hémisphère opposé ( En mathématique, l'opposé d’un nombre est le nombre tel que, lorsqu’il est à ajouté à n donne zéro. En botanique, les organes d'une plante sont dits opposés lorsqu'ils sont insérés au même niveau, l'un en face...) ne sont pas observées.

Cela s'explique par un aplatissement (L'aplatissement d'une planète est une mesure de son « ellipticité »; une sphère a un aplatissement de 0, alors qu'un disque infiniment mince a un aplatissement de 1.) du cône d'émission dans le plan du méridien (En géographie, un méridien est un demi grand cercle imaginaire tracé sur le globe terrestre reliant les pôles géographiques. Tous les points de la Terre situés sur un même méridien ont la...) (prédit par un article théorique de Galopeau et al. 2016).

On trouve également que le cône d'émission n'a qu'1° d'épaisseur, et l'angle d'émission mesuré est de 70° à 90° par rapport au champ magnétique. L'interprétation des mesures est cependant complexe car une émission produite perpendiculairement dans la source peut ensuite être réfractée dans une direction oblique au cours de sa propagation près de la source.

Il faudra donc multiplier ces travaux pour plusieurs périJoves de Juno avant d'en tirer des conclusions définitives. Quand Juno est à basse latitude, les émissions "Io-Jupiter" dominent le spectre dynamique, mais quand Juno est à haute latitude, de nombreuses émissions d'origine aurorale s'y superposent.

La comparaison d'observations simultanées par Juno, le réseau décamétrique de Nançay et Wind permet d'identifier l'origine de chaque émission.

Troisième article

L'article d'Imai et al. compare les observations de Juno et du réseau décamétrique de Nançay pour deux cas particuliers d'émissions radio observées peu avant le 1er périJove, et corrobore les résultats plus généraux de Louis et al.

Ces premiers résultats augurent bien de la suite de la mission, qui produira de plus un modèle "parfait" du champ magnétique interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une durée variable selon le "Diplôme d'études...) de Jupiter, fournissant une topologie (La topologie est une branche des mathématiques concernant l'étude des déformations spatiales par des transformations continues (sans arrachages ni recollement des structures).) fiable et précise du champ magnétique qui guide la trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et notamment par son centre de gravité.) des électrons, et définit les tubes de flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus...) satellite-Jupiter.

Références

- Kurth, W. S., M.Imai, G. B. Hospodarsky, D. A. Gurnett, P. Louarn, P. Valek, F. Allegrini, J. E. P. Connerney, B. H. Mauk, S. J. Bolton, S. M.Levin, A. Adriani, F. Bagenal, G. R. Gladstone, D. J. McComas, and P. Zarka, A new view of Jupiter's auroral radio spectrum, Geophys. Res. Lett., in press, 2017. DOI: 10.1002/2017GL072889.
- Louis, C. K., L. Lamy, P. Zarka, B. Cecconi, M.Imai, W.S. Kurth, G.B. Hospodarsky, S.L.G. Hess, X. Bonnin, S. Bolton, J.E.P. Connerney, and S.M.Levin, Io-Jupiter decametric arcs observed by Juno/Waves compared to ExPRES simulations, Geophys. Res. Lett., in press, 2017. DOI: 10.1002/2017GL073036
- Imai, M., W.S. Kurth, G.B. Hospodarsky, S. Bolton, J.E.P. Connerney, S.M.Levin, A. Lecacheux, L. Lamy, and P. Zarka, Latitudinal beaming of Jovian decametric radio emissions as viewed from Juno and the Nançay Decameter Array, Geophys. Res. Lett., in press, 2017.

Contributions

A l'Observatoire de Paris, trois chercheurs: Philippe Zarka, Laurent Lamy et Baptiste Cecconi ont participé à ces articles, ainsi que le doctorant (Un doctorant est un chercheur débutant s'engageant, sous la supervision d'un directeur de thèse, dans un projet de recherche sur une durée...) Corentin Louis en premier auteur de l'un d'entre eux.

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