Quatrième objet le plus brillant du ciel derrière le Soleil, la Lune et Vénus, Jupiter vole parfois le rôle d'étoile du berger à Vénus, brillant à la magnitude -2.7 parmi les constellations du zodiaque. Il est observé avec des instruments optique depuis 1610, époque à laquelle le célèbre Galilée tourna son "tube optique" vers le ciel et découvrit quantité d'objets nouveaux.

C'est en observant l'évolution de ses principaux satellites que Galilée découvrit un autre "système planétaire" qui n'était pas centré sur la Terre. A cette époque en effet, le système géocentrique prédominait et la Terre était située au centre de l'Univers... Puisque des objets semblaient tourner autour de Jupiter comme la Lune et soi-disant le Soleil tournaient autour de la Terre, Galilée y vit un indice supplémentaire - après celui des phases de Vénus - en faveur du système héliocentrique de Copernic : le Soleil était au centre des orbes des astres, la Terre et les autres planètes tournant autour de lui. Mais les savants et principalement le clergé de l'époque ne pouvaient supporter cette réalité qui ne concordait pas avec les Saintes Ecritures et l'enseignement d'Aristote. Malgré ces faits probants, Galilée sera poursuivit par l'Inquisition et dut abjurer ses découvertes qui ne concordaient pas avec l'air de son temps.

Aujourd'hui nous pouvons refaire l'expérience de Galilée sans risquer les foudres du clergé et observer Jupiter avec une modeste lunette de 60 mm d'ouverture par exemple grossissant 50x, légèrement plus puissante que celle qu'il utilisa. Malgré le faible diamètre de cette optique, Jupiter apparaît d'emblée comme un ballon clair suspendu dans le ciel et strié de bandes sombres, escorté de quatre satellites qui se déplacent lentement au fil du temps. Le spectacle est impressionnant et je vous convie à vivre cette expérience en visitant un club d'astronomie proche de chez vous.

Jupiter et ses 4 satellites galiléens tel qu'on peut les observer dans un télescope d'amateur. Europe en transit sur le disque, Ganymède à gauche, Io et Callisto à droite photographiés le 17 février 2002 par Jacques-André Regnier avec un télescope catadioptrique Celestron Nexstar 5 (127 mm f/10) muni d'une Barlow Ultima 2x et d'une caméra Vesta Pro. Il s'agit du compositage de 10 images traitées sous Iris. Voici une simulation du même champ réalisée avec Starry Night. A toute bonne fin sachez que l'aspect visuel télescopique est différent de celui-ci; l'image est en réalité plus petite (cela dépend du grossissement), beaucoup plus brillante, les couleurs sont estompées (blanc cassé) et le globe de Jupiter paraît plus aplati, phénomène accentué par les bandes sombres. Les satellites brillent comme des étoiles entre les magnitudes 4.6 et 5.6 et présentent une minuscule surface à l'inverse des étoiles qui restent ponctuelles.

Paramètres physiques

Jupiter est la plus grosse planète du système solaire. Il est 11 fois plus volumineux que la Terre, avec un diamètre équatorial de 142984 km ou 48". S'il était creux il pourrait contenir un bon millier de Terre ! Il est aussi deux fois plus massif que toutes les autres planètes réunies et 318 fois plus lourd que la Terre avec une masse de 1.9x10²⁷ kg. 

Jupiter décrit une orbite quasi circulaire à 778.3 millions de kilomètres du Soleil ou 5.20 UA, inclinée de 1°18' sur l'écliptique à une vitesse de 13.07 km/s. L'année jovienne dure ici 11 ans 10 mois. Son axe de rotation est faiblement incliné de 3°07' sur le plan orbital dont l'excentricité est de 0.0483. Il tourne sur lui-même en 9h55m30s, ce que nous détaillerons plus loin. Cette rotation très rapide entraîne un aplatissement des régions polaires de 6.2% par rapport à l'équateur que l'on distingue parfaitement dans un petit instrument d'astronomie (60 mm), effet qui est souligné par la structure horizontale des bandes nuageuses.

Malgré ses proportions gigantesques, Jupiter voit sa période de rotation augmenter suite à un effet de marée gravitationnelle engendrée par les 4 satellites galiléens qui le ralentissent. A l'image des forces qui s'exercent sur le système Terre-Lune, ces forces de marées "galiléennes" modifient les orbites des satellites de Jupiter qui progressivement s'éloignent de la planète.

Constitué de gaz légers, Jupiter présente une densité de 1.33. La pesanteur agit à hauteur des nuages avec une force 2.54 fois plus importante que sur la Terre.

Images d'amateurs A gauche, Jupiter photographié par Damian Peach avec un Celestron C11 de 280 mm d'ouverture équipé d'une webcam. Cliquer ici pour charger une animation réalisée à partir de ces images (GIF de 2.5 MB). A droite, une photographie réalisée par Maurizio DiSciullo avec un télescope Excelsior Optics Newtonien de 258 mm d'ouverture. Notez la Grande Tache Rouge sur les deux images (en-dessous).

Structure de l'atmosphère

Depuis 1973, les survols successifs de Jupiter effectués par les sondes spatiales Pioneer 10, Pioneer 11, Voyager 1, Voyager 2, Ulysse, Galileo, Cassini et New Horizons nous ont permis de découvrir un monde tourmenté chatoyant de couleurs et de répondre à de nombreuses questions^[1].

Les bandes alternativement claires et sombres que l'on observe sur sa surface sont en fait des couches nuageuses relativement fluides et permanentes situées à des altitudes différentes. Les bandes claires sont appelés zones, les bandes sombres les ceintures. C'est leur composition chimique et leur température légèrement différentes qui leur donnent cet aspect coloré. Leurs couleurs chatoyantes sont probablement le résultat de réactions chimiques subtiles entre des éléments moins abondants de son atmosphère, impliquant peut-être le soufre dont les réactions produisent une grande variété de couleurs mais dont les détails demeurent inconnus. Les couleurs vives des nuages sont corrélées avec leur altitude : les nuages rouges sont les plus élevés, suivis par les nuages bruns et blancs tandis que les nuages bleus sont les plus profonds. Parfois une éclaircie temporaire dans la couche nuageuse supérieure laisse entrevoir les couches les plus profondes.

A gauche simulation des différentes couches atmosphériques basée sur les données télémétriques et de spectrométrie de masse retransmises par la sonde Galileo. A droite image en fausses couleurs d'une région similaire photographiée en UV et proche IR le 26 juin 1997 par Galileo à 1.2 millions de kilomètres de distance. Documents Galileo.

Ces bandes témoignent d'une rotation différentielle entre les zones équatoriales et les zones polaires. Les zones équatoriales qui s'étendent sur 10° de part et d'autre de l'équateur forment le Système I et présente une période de rotation de 9h50m30s. Le reste de la planète forme le Système II et tourne en 9h55m30s. Un Système III a été mis en évidence, correspondant à la période de rotation du noyau et du champ magnétique dont la période est également de 9h55m30s. 

Selon Bradford Smith de l'Université d'Arizona, depuis les missions de Voyager toutes les théories concernant l'atmosphère de Jupiter ont dû être révisées. Les observations de la sonde spatiale Pioneer 10 renforcèrent l'idée classique d'une atmosphère bien ordonnée, avec des zones nuageuses calmes encerclant la planète, telle qu'on les observait depuis la Terre. Mais les vues rapprochées prises par les sondes Voyager, Ulysse et Galileo contredirent ces observations en découvrant une atmosphère tumultueuse, dans laquelle évoluaient de gigantesques tourbillons de tempêtes et de sévères courants jets.

A gauche, distributions des ceintures et des zones autour de Jupiter. Ce schéma est utilisé par les amateurs pour déterminer les positions et l'évolution des structures qui apparaissent dans l'atmosphère de Jupiter. A droite la rotation de Jupiter photographiée par Donald Parker, responsable de l'ALPO, entre décembre 1999 et février 2000 avec un télescope newtonien de 410 mm équipé d'une caméra CCD. Cliquer sur l'image pour lancer l'animation (GIF de 100 KB).

Composition de l'atmosphère

La composition de l'atmosphère jovienne est plus complexe et différente de ce que l'on avait imaginé suite à l'analyse des mesures effectuées par les sondes Pioneer 10 et 11 en 1973. Grâce aux mesures effectuées in situ par la sonde Galileo fin 1995, nous savons aujourd'hui que dans les 150 premiers kilomètres, l'eau est beaucoup moins abondante que prévu de même que l'oxygène (combiné à l'hydrogène) qui n'est plus deux fois plus abondant que celui du Soleil mais plutôt moins concentré que dans le Soleil. La densité et la température de la couche supérieure de nuages est également plus élevée que prévu. 

Mais même les données de Galileo peuvent être trompeuses car on s'est par exemple rendu compte que la sonde plongea dans l'atmosphère de Jupiter dans une zone relativement peu nuageuse et probablement la plus chaude en cette époque de l'année, faussant quelque peu les mesures physiques et chimiques.

Quoi qu'il en soit, la sonde Galileo confirma que Jupiter se compose de 75% d'hydrogène moléculaire (H₂) et de 24% d'hélium contre 28% pour le Soleil (en nombre d'atomes cela représente 90% d'hydrogène et 10% d'hélium). Selon Richard Young du Centre Ames de la NASA l’abondance révisée de l’hélium indique que l’attraction de l’hélium vers le centre de Jupiter ne s’est apparemment pas produite aussi rapidement que sur Saturne, où le rapport He/H n’est que de 6%. Ceci confirme que l’intérieur de Jupiter est beaucoup plus chaud que celui de Saturne.

Composition chimique de l'atmosphère de Jupiter vers 100 km de profondeur au niveau 10 bar relevé par Galileo à partir des données du spectromètre de masse. Document NASA-GFSC.

Le sommet de l'atmosphère jovienne contient surtout de l'ammoniac (NH₃) et du méthane (CH₄). Quelques molécules organiques ont été décelées, telles l'éthane (C₂H₆) et l'acétylène (C₂H₂). D'autres molécules existent en petites quantités : la phosphine (PH₃), la vapeur d'eau et des traces d'éléments radioactifs (deutérium, carbone-13). Ces éléments organiques et phosphorés contribuent à donner à l'atmosphère une coloration jaune-rougeâtre.

Prochain chapitre

Profil de l'atmosphère

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[1] National Geographic, 147, Feb.1975, p285 (Pioneer 10); 157, Jan.1980, p2 (Voyager 1 et 2).

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