VIDEO - Un bouquet final d'aurores sur Saturne pour Cassini
Publié par Adrien le 03/09/2018 à 00:00
Source: Observatoire de Paris
Une équipe internationale, coordonnées par un astronome de l'Observatoire de Paris, a acquis en 2017 une série d'images spectaculaires des aurores ultraviolettes au pôle nord de Saturne à l'aide du télescope spatial Hubble. Ces observations, coordonnées aux passages de 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...) orbitale 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...) au-dessus du pôle, révèlent une grande diversité de composantes d'une variabilité inédite qui fournissent de précieuses informations sur 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 Saturne au solstice (Le solstice est un événement astronomique qui se produit lorsque la position apparente du Soleil vu de la Terre atteint son extrême méridional ou...).

Tout au long de l'année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.) 2017, le télescope spatial (Un télescope spatial est un télescope placé au delà de l'atmosphère. Le télescope spatial présente l'avantage par rapport à son...) NASA/ESA Hubble (Le télescope spatial Hubble (en anglais, Hubble Space Telescope ou HST) est un télescope en orbite à environ 600 kilomètres d'altitude, il effectue...) a pris régulièrement des clichés des aurores ultraviolettes de Saturne visibles au 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 continuité en...) de son pôle nord (Le pôle Nord géographique terrestre, ou simplement pôle Nord, est le point le plus septentrional de la planète Terre. Il est défini comme le point d’intersection...). 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 d’étude appropriés. Le plaisir procuré...), spécifiquement coordonnées aux passages de la mission spatiale Cassini au-dessus des aurores lors de son Grand Finale (1), ont été acquises 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...) du solstice d'été nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.) (atteint en mai 2017), une configuration rare qui a permis à Hubble de cartographier pour la première fois l'intégralité de la région aurorale nord depuis la 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 croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des...).


Sur Terre, les aurores sont produites par l'entrée dans l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) de particules énergétiques chargées électriquement provenant de l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels,...) terrestre. La plupart de ces particules provient initialement du vent solaire (Le vent solaire est un flux de plasma constitué essentiellement d'ions et d'électrons qui sont éjectés de la haute atmosphère du Soleil. Pour les étoiles autres que le Soleil, on parle généralement de vent...), ce flot de particules chargées émis en permanence par le soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type...). Lorsque le vent (Le vent est le mouvement d’une atmosphère, masse de gaz située à la surface d'une planète. Les vents les plus violents connus ont lieu sur Neptune...) solaire atteint la Terre, il interagit avec son champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une...) pour former un gigantesque bouclier magnétique, la magnétosphère, qui s'étend sur plusieurs dizaines de rayons planétaires. Celle-ci protège la Terre de la majeure partie de ces particules mais peut également périodiquement en piéger une partie. Ces particules s'accumulent alors du côté nuit de la magnétosphère, où elles peuvent être accélérées et suivre les lignes de champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique jusqu'aux pôles. Là, elles entrent en collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) avec les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se...) d'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) et d'azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de numéro atomique 7. Dans le langage courant, l'azote désigne le gaz diatomique diazote N2, constituant majoritaire de l'atmosphère...) de la haute atmosphère pour former un ballet bien connu de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement...) colorée, qui peut être observé du sol ou depuis l'espace dans le domaine visible (2).

Les aurores ne sont pas un phénomène propre à la Terre mais sont plus largement caractéristiques des planètes magnétisées, dont les planètes géantes. Contrairement à la Terre, l'atmosphère de ces dernières est dominée par de l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.), qui rayonne principalement dans l'ultraviolet (Le rayonnement ultraviolet (UV) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde intermédiaire entre celle de la lumière visible et celle des rayons X.), une fenêtre (En architecture et construction, une fenêtre est une baie, une ouverture dans un mur ou un pan incliné de toiture, avec ou sans vitres.) du spectre électromagnétique (Le spectre électromagnétique est la décomposition du rayonnement électromagnétique selon ses différentes composantes en terme de fréquence, d'énergie des...) qui ne peut être observée que depuis l'espace. Les aurores de Saturne permettent de caractériser sa magnétosphère, la deuxième en taille dans le système solaire (Le système solaire est un système planétaire composé d'une étoile, le Soleil et des corps célestes ou objets définis...) derrière Jupiter, et principalement alimentée en particules par les panaches de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de...) émis par le satellite (Satellite peut faire référence à :) de glace (La glace est de l'eau à l'état solide.) Encelade.

Les observations Hubble ont consisté en une série d'images des aurores ultraviolettes de Saturne couvrant une période de sept mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.), entre février et septembre 2017. Elles ont d'abord permis de cartographier instantanément l'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) aurorale kronienne, et ainsi de fournir le contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le contexte d'un mot, d'une phrase ou d'un texte inclut les mots qui l'entourent. Le concept de contexte issu traditionnellement de l'analyse...) de référence indispensable pour analyser les mesures obtenues simultanément par la sonde Cassini le long des lignes de champ magnétiques connectées aux aurores. Leur analyse statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon. D'une façon générale, c'est le résultat de...) a ensuite permis de caractériser l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en...) vent solaire/magnétosphère au solstice, une configuration peu connue lors de laquelle l'inclinaison (En mécanique céleste, l'inclinaison est un élément orbital d'un corps en orbite autour d'un autre. Il décrit l'angle entre le plan de l'orbite et le plan de référence (généralement le plan de l'écliptique,...) du champ magnétique planétaire (Un planétaire désigne un ensemble mécanique mobile, figurant le système solaire (le Soleil et ses planètes) en tout ou partie. Généralement les astres représentés...) et l'irradiation (En physique nucléaire, l'irradiation désigne l'action d'exposer (volontairement ou accidentellement) un organisme, une substance, d'un corps à un flux de rayonnements...) solaire de l'atmosphère sont maximales.


Aurores polaires nord (boréales) de Saturne (image composite, visible et ultraviolet)
©ESA/Hubble, 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...), A. Simon (GSFC) and the OPAL Team, J. DePasquale (STScI), L. Lamy (Observatoire de Paris)

Les aurores de Saturne ont révélé une riche variété de composantes, très variables, avec des épisodes très énergétiques rayonnant jusqu'à 120 GW. La figure en fournit une illustration avec une image composite d'aurores ultraviolettes particulièrement actives (observées le 14 août 2017) superposée aux anneaux et au disque (Le mot disque est employé, aussi bien en géométrie que dans la vie courante, pour désigner une forme ronde et régulière, à l'image d'un palet — discus en latin.) dans le domaine visible (observés début 2018). Sur cette image, l'anneau encerclant le pôle correspond à l'ovale (Dans le sens étymologique, un ovale est une forme d'œuf. En mathématiques, et plus particulièrement en géométrie, le terme « ovale » désigne une courbe plane fermée qui a deux...) principal, produit par des particules accélérées dans la magnétosphère externe, par un mécanisme sensible au vent solaire. L'ovale illustre une propriété moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des...) avec deux pics d'intensité: un pic caractéristique côté matin (à gauche sur l'image), mais aussi de manière inattendue un autre de même amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) du coté nuit (en haut sur l'image). Ce dernier semble spécifique de l'interaction vent solaire/magnétosphère au solstice. La tâche à plus 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.) côté jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit heure locale) et...) est attribuée à une aurore de cornet polaire, la plus intense jamais observée, directement issue de la reconnexion magnétique entre la magnétosphère et le vent solaire côté jour. Les aurores fluctuent à différentes échelles de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) allant de la minute ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain est la carte originale, au crayon, levée sur le terrain. ...) à la semaine et sont contrôlées à la fois par le vent solaire et la rotation planétaire rapide (Saturne tourne en11h). L'animation (L'animation consiste à donner l'illusion du mouvement à l'aide d'une suite d'images. Ces images peuvent être dessinées, peintes, photographiées, numériques, etc.) illustre cette variabilité. Les épisodes les plus intenses sont des orages auroraux induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en électricité (générateur) ou en force...) par un vent solaire actif.

Les résultats de cette étude sont publiés le 30 août 2018 dans la revue Geophysical Research Letters (3).

Les images traitées sont librement accessibles via le service de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) CNRS/INSU APIS

Notes:

(1) La mission Cassini/Huygens est le fruit (En botanique, le fruit est l'organe végétal protégeant la graine. Caractéristique des Angiospermes, il succède à la fleur par transformation...) d'une collaboration entre la NASA, l'ESA et l'agence spatiale italienne (L'Agence spatiale italienne (en italien Agenzia Spaziale Italiana ou ASI ) a été créée en 1988 pour promouvoir, coordonner et diriger les activités spatiales de l'Italie.). La sonde Cassini a passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble des configurations successives du monde et s'oppose au futur sur une échelle des temps centrée sur le présent....) 13 ans en orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.) autour de Saturne, observant son système planétaire (Un système planétaire (parfois appelé abusivement système stellaire) est composé de planètes et divers corps célestes inertes (astéroïdes, comètes...) gravitant autour...), dont sa magnétosphère, dans les moindres recoins avec de nombreux instruments. La mission a culminé avec le Grand Finale, une série d'orbites polaires rapprochées pendant laquelle la sonde est passée à l'intérieur des anneaux de Saturne (Les anneaux de Saturne sont les anneaux planétaires les plus importants du système solaire, situés autour de la géante gazeuse Saturne. Constitués d'innombrables particules de glace et de...) pour acquérir des données de basse altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau de base. C'est une des composantes géographique et biogéographique qui explique la répartition de la vie sur terre.) inédites, dont l'analyse est l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise,...) d'un numéro spécial de Geophysical Research Letters. Le 15 September 2017, la sonde a terminé sa course (Course : Ce mot a plusieurs sens, ayant tous un rapport avec le mouvement.) par un ultime plongeon dans l'atmosphère de Saturne (L’atmosphère de Saturne est, à l'instar des atmosphères des autres géantes gazeuses, composée principalement d'hydrogène...).

(2) Les aurores polaires - La Terre sous le vent du Soleil, F. Mottez, livre édité par Belin, Belin Sciences, ISBN-10: 2701196051, ISBN-13: 978-2701196053, 2017.

(3) Saturn's northern aurorae at solstice from HST observations coordinated with Cassini's Grand Finale, L. Lamy, R. Prangé, C. Tao, T. Kim, S. V. Badman, P. Zarka, B. Cecconi, W. S. Kurth, W. Pryor, E. J. Bunce and A. Radioti, Geophys. Res. Let., Special Section on Cassini's Final Year: Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris,...) Highlights and Discoveries, https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2018GL078211
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