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Jupiter, le Maître des dieux

Photo PIA21376

Jupiter et sa Grande Tache Rouge photographiés le 11 décembre 2016 par la sonde spatiale Juno à 458800 km de distance. Document NASA/JPL.

La Grande Tache Rouge (III)

La Grande Tache Rouge (l'acronyme GRS anglais) de Jupiter parfois surnommée "l'oeil jovien" fut découverte par le mathématicien et astronome anglais Robert Hooke en 1664 (certains l'attribuent également à l'astronome français d'origine italienne Jean-Dominique Cassini mais il semble qu'il ne la dessina qu'à partir de 1691 comme en témoigne ce dessin). Puis on l'oublia pendant plus d'un siècle, jusqu'à ce qu'elle fasse de nouveau l'objet d'attention par l'astronome allemand Samuel Heinrich Schwabe en 1831, déjà connu pour ses observations des taches solaires.

La Grande Tache Rouge est une formation permanente, une zone de haute pression (elle accuse un mouvement anti-horloger dans laquelle les courants s'élèvent) qui se situe entre la Ceinture Equatoriale Sud (SEB) et la Zone Tropicale Sud (STrZ) entre 20 et 30° de latitude sud. Des formations similaires mais plus petites et temporaires ont également été observées sur Saturne (taches jaune claire) et Neptune (tache sombre).

Changement de taille et de couleur

De forme elliptique, la GRS s'étend de nos jours sur 16500 km à 18000 km de longueur et 12000 km en latitude; cet anticyclone est donc presque deux fois plus grand que la Terre mais cela n'a pas toujours été le cas.

Si sa position en latitude a peu varié au cours du temps, en revanche sa longueur a fortement changé. Selon les analyses effectuées par John Rogers dans son livre "The Giant Planet Jupiter" (CUP, 2009), en sur basant sur les dessins de Cassini, la GRS était plus petite au XVIIe siècle et se déplaçait également moins rapidement qu'aujourd'hui. Sur base des photographies, on peut estimer que la GRS atteignit 41038 km de longueur à la fin du XIXe siècle et pouvait donc aisément contenir trois fois la Terre. En 1973, lors du survol de la sonde spatiale Pioneer 10, la GRS mesurait 25000 km de longueur. En 1979-1980, lors du survol des sondes spatiales Voyager 1 et 2, la GRS mesurait 23335 km (ci-dessous au centre) qui se réduisirent à 18000 km en 2000 lors du passage de la sonde Cassini. Puis à partir de 2012, son rétrécissement s'accéléra avec un taux de l'ordre de 930 km par an pour atteindre un minimum de 16496 km de longueur en 2014 (cf. la photo en 1re page) et de 16800 km le 18 mars 2016 (cf. les photos amateurs en 1re page) comme le confirma l'astronome amateur Damian Peach.

A voir : Animation de la Grande Tache Rouge et des turbulences (GIF de 52 MB)

A gauche, évolution de la taille de la Grande Tache Rouge (GRS) entre 1890 et 2014. Sa longueur a  diminué de 60% en 125 ans (41038 km à la fin du XIXe siècle à 16496 km en 2014 pour remonter ensuite à 16800 km en 2016). L'échancrure juste au nord, dans la partie sud de la SEB est apparue vers 2007 et la bande s'est brisée vers 2009. Documents Obs.Lick (1890, la GRS mesurait 35000 km), "Astronomie" de Rudaux (1948), "Planètes et Satellites" de Guérin (Pic-du-Midi, 1964) et Damian Peach (C11, 2014, la GRS mesurait 16500 km). Montage de T.Lombry. Au centre, une image prise le 4 mars 1979 par Voyager 1 et retraitée en 2011 par Björn Jónsson (cf. APOD). La résolution est de 18 km /pixel. L'animation ci-dessus se réfère à cette image. A droite, une image en couleurs accentuées combinant les images en UV et IR à 756 nm prises le 26 juin 1996 par la sonde Galileo. L'image a également été traitée par Björn Jónsson. Documents NASA/JPL. D'autres images sont disponibles sur le site Ciclops

Très bien délimitée, avec une cavité creusée dans la partie nord, la Grande Tache Rouge présente une structure spiralée. Il s'agit d'une formation stable mais qui dérive irrégulièrement, sans suivre la circulation générale. On y a relevé des rafales de vent d'environ 640 km/h, soit presque le double de la vitesse des rafales de vent dans un cyclone F5 sur Terre !

Origine de la GRS

Comment la Grande Tache Rouge (GRS) s'est-elle formée ? Celui qui aura la réponse à cette énigme aura toute la considération de la communauté des astronomes car on ignore actuellement la réponse. On pense que la GRS est le résultat de la stabilisation d’une hétérogénéité dans un milieu chaotique. En effet, un mélange hors équilibre comme une perturbation convective ou un vortex peut-être stable ainsi que l’ont démontré quantités d’expériences avec des fluides plus ou moins visqueux. Si le flux est continu et la forme persistante, à l’instar de ce qui se produit dans l’atmosphère jovienne, la réaction devient autocatalytique et le système s'engage dans un cycle autoreproductif, autrement dit la chaleur et les courants atmosphériques entretiennent localement la Grande Tache Rouge qui se trouve dans un régime stable.

Selon des analyses effectuées par John Rogers à partir des anciennes photographies (de l'Observatoire Lowell de 1908, Pic-du-Midi de 1941 et HST en 2007 notamment), la GRS se serait formée par la contraction d'une supercellule anticyclonique présente dans la zone STrZ qui s'est assombrie sur 30-60° de longitude (soit 3-4 fois la taille actuelle de la GRS). Comme on le voit ci-dessus, ctte hypothèse a été renforcée en 2007 par l'observation de perturbations dans la STrZ sous forme de cellules fermées émanant de matière brune s'écoulant de la SEB, ce qu'on appelle des STrD ou Perturbations Tropicales Sud (South Tropical Disturbances).

En parallèle, d'autres hypothèses ont été proposées. Avant la collision de la comète Shoemaker-Levy 9 avec Jupiter en juillet 1994, on pensait que la GRS s'était formée à la jonction de deux courants horizontaux de sens contraire, comme cela peut expliquer les nombreux petits vortex (WOS) qui apparaissent ci et là, à la limite des zones claires et des ceintures sombres. Mais étant donné que la collision de Shoemaker-Levy 9 avec Jupiter provoqua d'énormes tâches de plus de mille kilomètres de diamètre dans l'atmosphère jovienne et subsistèrent près d'un an, il est également possible qu'une comète plus grosse ait percuté la planète géante dans un lointain passé. La Grande Tache Rouge serait la principale cicatrice de cette explosion, en fait la seule formation stable dans ce milieu turbulent. Mais a priori la GRS est une structure permanente alors les impacts cométaires sont des formations temporaires. On en déduit que la formation de la Grande Tache Rouge serait différente et peut-être d'origine interne.

Image composite de Jupiter photographié en couleurs naturelles par la sonde spatiale Cassini le 29 décembre 2000 à 10 millions de kilomètres de distance. C'est l'image la plus détaillée obtenue à ce jour. La résolution atteint 60 km/pixel. Document NASA/JPL/SSI.

Depuis le temps qu'elle existe, il est plus vraisemblable que la GRS soit une formation purement météorologique. En effet, des simulations ont montré qu'une source de chaleur peut se développer dans les profondeurs de Jupiter, engendrant un "défaut" persistant, une dislocation dans les couches laminaires qui présentent normalement une augmentation régulière de la température et de la densité avec la profondeur. On suppose que la matière s'est trouvée dans une phase de transition propice au développement de structures complexes combinées à des courants ascendants qui pourraient être à l'origine de la Grande Tache Rouge. C'est l'analogue atmosphérique de ce qui passe dans les volcans lorsque des conduits concentrent le flux de chaleur venu des profondeurs. En tenant compte de l'effet de la gravité, les modèles indiquent qu'une convection née en profondeur peut se frayer un chemin jusqu'à la surface et les nuages supérieurs de Jupiter.

Si cette théorie est exacte, à quelle profondeur se trouverait la "racine" de la Grande Tache Rouge ? Il faut plonger dans l'atmosphère de Jupiter jusqu'à trouver une profondeur où l'intensité de la turbulence et la pression sont suffisamment élevées pour créer un germe d'hétérogénéité persistant. Selon les modèles, nous savons que des conditions infernales règnent à plus de 1000 km de profondeur (>2000°C,  pression >5000 bar). Dans un milieu aussi turbulent qui l'est encore plus dans les grandes profondeurs, les échanges de chaleur d'une région à l'autre génèrent des vents extrêmement violents accompagnés de variations importantes de pression. Combinés à l'effet de la force de Coriolis, ces phénomènes locaux peuvent accumuler beaucoup d'énergie et former de véritables tempêtes à l'échelle de Jupiter, c'est-à-dire des vortex de plusieurs milliers de kilomètres de diamètre qui pourraient ensuite remonter vers la surface.

Ceci dit il paraît impossible que la "racine" de la GRS soit ancrée très profondément, comme par exemple au niveau de la couche d'hydrogène métallique située à 25000 km de profondeur comme certains l'ont proposé. En effet, considérant tous les échanges thermiques, les zones de cisaillements et la variations de densité aux différentes profondeurs, une telle structure ne pourrait pas se maintenir bien longtemps sur une aussi grande distance. Toutefois, nous manquons de données et d'exemples concrets pour tester cette théorie.

Mais pourquoi la Grande Tache Rouge ne se désagrège-t-elle pas ? L'analyse des images de Jupiter après la collision avec Shoemaker-Levy 9 montra que certaines zones d’impacts, parfois aussi vastes que la Terre se sont transformées en taches pourpres mais toutes ont disparu au bout d'un an, dissipées dans la circulation générale.

Une première ébauche de solution fut proposée en 1978 par le mathématicien et astronome Philip Marcus de l'Université de Berkeley et professeur de dynamique des fluides. Son modèle mathématique copié de la dynamique jovienne montre qu'un mouvement centrifuge peut transformer des flux initialement chaotiques en structures stables à grande échelle. Des vérifications avec des fluides dans le laboratoire de l'Université d'Austin confirmèrent ces simulations numériques. A partir d'une atmosphère calme contenant un vortex important, la mise en rotation du système déclencha un effet centrifuge entretenu. Alors que l'énergie se propagea autour de la grande tache qui resta en équilibre, elle provoqua la formation de petits vortex mais qui ne purent se maintenir lorsque les courants furent portés à 300 km/h. Ils s'étirèrent et se transformèrent en filaments échancrés, semblables aux nodosités et festons joviens. Entretenue par l'énergie du système, la position et la structure de la grande tache ne subirent pas d'altération et persistèrent au fil des rotations.

A gauche, Jupiter avec l'ombre du satellite Europe en transit photographié le 7 décembre 2000 par la sonde spatiale Cassini en route vers Saturne. Il s'agit du compositage de 4 photos dont le planisphère a été projecté sur un globe pour rendre l'effet de perspective. La résolution est d'environ 144 km par pixel. Document NASA/JPL/U.Az./ESA. A droite, une image prise par Damian Peach le 18 mars 2016 avec un télescope Celestron C11 EdgeHD. La Grande Tache Rouge mesurait 16800 km de longueur.

Cette expérience confirma qu'un système chaotique pouvait créer à certains seuils critiques de son évolution des structures totalement stables. Au lieu de disperser la matière, le système conserva un comportement déterminé, corroboré par l'observation de la nature. Les retombées des études sur les turbulences et le chaos devinrent si importantes que l'on parle aujourd'hui de la science du chaos ou science du désordre.

Plus récemment, en 2017 des expériences réalisées par le géophysicien Jonathan Aurnou de l'UCLA et ses collègues du CNRS à Marseille avec des fluides soumis à des régimes turbulents suggèrent que de puissants courants jets peuvent persister durant plusieurs siècles. Cette théorie complétée par le modèle de Marcus doit encore être modélisée en tenant compte des dernières données récoltées par la sonde spatiale Juno et notamment les données concernant la vitesse des vents et la composition de Jupiter en profondeur.

La couleur de la GRS

L'origine de la couleur de la Grande Tache Rouge reste largement débattue. Plusieurs explications ont été proposées. Pour certains biochimistes, sa couleur rouge-orangée proviendrait de la décomposition par photolyse de la phosphine (PH3) en phosphore rouge. Reste à déterminer si l'abondance de ces éléments est compatible avec les observations.

Une autre explication, avancée voici plusieurs décennies par Cyril Ponnamperuma (1923-1994) de l'Université de Maryland tient compte de la synthèse des polymères nitriles (C≡N) à partir de l'expérience de Miller, dont on retrouve les composants sur Jupiter. On y reviendra en bioastronomie[2].

A gauche, illustration stylisée de l'un des aspects possibles de la Grande Tache Rouge en perspective. Au centre et à droite, reconstruction tridimensionnelle de la Grande Tache Rouge sous MathLab par Cooper et Cowan pour le JPL. Documents T.Lombry et G.R.J. Cooper et D.R. Cowan (2003).

A leur tour, le physicien Kevin Baines de l'équipe scientifique de Cassini au JPL ainsi que Tom Momary et Bob Carlson alors au JPL ont étudié la question à partir des données transmises par la sonde Cassini en décembre 2000 et les ont comparées aux résultats d'expériences chimiques en laboratoire. Ils ont bombardé un mélange contenant les deux principaux gaz qu'on retrouve au sommet de l'atmosphère de Jupiter, l'ammoniac (NH3) et l'acétylène (C2H2) avec de la lumière ultraviolette de 214 nm reproduisant l'énergie solaire. Les résultats de leur analyse publiés dans la revue "Icarus" indiquent que la photolyse a formé une matière orange composée d'azo (R-N=N-R'), diazo (R2C=N2) et d'azine aliphatique (RR'C=N-N=CRR') dont la couleur correspondait aux observations de Cassini.

Selon Baines, leur modèle suggère que la GRS présente une couleur fade en dessous de la couche colorée orange. En effet, sur Jupiter les vents de tempête transportent les particules glacées d'ammoniac dans la haute atmosphère, les exposant à la lumière solaire. Du fait que ces vortex sont en rotation comme les ouragans sur Terre mais en sens contraire, les particules d'ammoniac ne peuvent s'échapper. Cela crée une coloration orangée permanente au sommet de l'anticyclone formée par la Grande Tache Rouge.

Notons que les petites taches blanches (les WOS qui ont tout de même la taille de la Terre) virent parfois à l'orange (voir plus bas) probablement pour la même raison. Ceci dit, Saturne contient les mêmes éléments (ammoniac, phosphine, acétylène, etc.) mais ne présente pratiquement aucune tache orange. Peut-être que la vitesse très élevée des vents (3 fois plus élevée que sur Jupiter) empêche la formation ou la persistance de ces composés organiques colorés.

La température de la GRS

Les mesures effectuées par les sondes spatiales Voyager 1 et 2 ont révélé que la Grande Tache Rouge était plus froide de 2° par rapport aux zones claires avoisinantes (-146°C). Elle doit donc émerger à quelque 8 km au-dessus des zones nuageuses claires. La situation est toutefois très différente en haute altitude.

La haute atmosphère de Jupiter se réchauffe au-dessus de la Grande Tache Rouge. On pense que le phénomène est lié à la chaleur produite par la collision des ondes de gravité et acoustiques remontant des profondeurs. Document T.Lombry

Dans une étude publiée en 2016 dans la revue "Nature", James O’Donoghue de l'Université de Boston et ses collègues ont montré que la température dans la haute atmosphère de Jupiter est comparable à celle qu'on observe sur Terre alors que Jupiter est 5 fois plus éloigné du Soleil. 

Pour expliquer cette augmentation de la température, les chercheurs ont utilisé le télescope infrarouge IRTF de la NASA installé à Hawaii et découvert que la température est beaucoup plus élevée au-dessus de la Grande Tache Rouge. Ainsi, à 800 km au-dessus des bandes nuageuses alors que la température moyenne est de 927°C (dans un milieu très raréfié), au-dessus de la GRS la température atteint 1327°C. Mesurée en infrarouge à 3.455 microns, l'énergie dissipée au-dessus de la GRS atteint 10-5.5 W/m2 soit 3.2x10-6 W/m2 contre 10-6 W/m2 aux alentours; la Grande Tache Rouge rayonne donc 3 fois plus d'énergie que la région qui l'entoure.

Sur Terre c'est le Soleil qui réchauffe l'atmosphère au point que celle-ci atteint 2500°C à 400 km d'altitude où gravite la station spatiale ISS (mais la chaleur ne se ressent pas car c'est pratiquement le vide à cette altitude). Sur Jupiter, à défaut d'un Soleil très puissant, c'est la Grande Tache Rouge qui réchaufferait l'atmosphère supérieure. Comment ? Selon O'Donoghue, la GRS produit deux types d'ondes turbulentes en interactions  : des ondes de gravité (les mêmes qui sur Terre forment des nuages ondulants) et des ondes acoustiques.

Comme sur Terre, les ondes de gravité se déplacent verticalement à travers l'atmosphère et sont générées soit par des orages soulevant l'air stable en altitude soit par des montagnes forçant l'air à s'élever sur leurs flancs. Les ondes acoustiques sont des  compressions d'air qui se déplacent. La chaleur détectée à 800 km au-dessus de la GRS serait produite par la combinaison de ces deux types d'ondes qui entreraient en collision comme les ondes dans l'océan. Sur Terre, un effet similaire a déjà été observé dans les Andes et pourrait également se produire sur d'autres planètes y compris sur des lunes comme Titan.

Les taches blanches ovales (WOS)

En dépouillant les observations passées, on a découvert une tache ovale blanche (WOS) sous la Grande Tache Rouge qui s'était formé vers 1930. Il s'agit également d'une formation anticyclonique. D'autres WOS petites et grandes apparaissent également de temps en temps et se dissipent au bout de quelques mois ou quelques années. Certaines alimentent la Grande Tache Rouge. Les grandes WOS ont la taille de la Terre avec une longueur variant entre 8000 km et 12000 km.

La région sud de Jupiter photographiée par Voyager 1 en 1979. La WOS DE fusionna avec BC en 1998 puis fusionna avec FA en mars 2000 pour donner BA. Ces WOS sont plus grandes que la Terre. Document NASA/JPL adapté par l'auteur.

La persistance de ces formations s'explique en partie par le fait qu'à l'inverse de la Terre, elles ne passent pas au-dessus de la mer et des reliefs qui modifient leur état. Le froid persistant et la taille gigantesque des formations expliquent aussi le fait que l'énergie se dissipe très lentement. Toutefois, les WOS sont éphémères alors que la Grande Tache Rouge est fixée dans l'hémisphère Sud depuis plusieurs siècles.

Entre 1939 et 1950, trois WOS appelées BC, DE et FA sont progressivement apparues comme on le voit ci-dessus. Après 60 ans d'existence, les WOS BC et DE ont fusionné pour donner BE en 1998 qui fusionna avec FA en mars 2000 pour donner naissance à la WOS BA comme on le voit ci-dessous à gauche. BA est toujours visible aujourd'hui.

A gauche, fusion des WOS BC et DE en 1998 photographiée depuis le Pic-du-Midi (2 images du haut) et la fusion de BE avec FA en mars 2000 pour donner BA photographiée grâce au télescope Spatial Hubble. Ces WOS mesurent entre 8000-12000 km. A droite, illustration artistique du rendez-vous de la sonde spatiale Juno avec Jupiter en 2016 montrant la Grande Tache Rouge associée dans sa partie sud avec la WOS BA. Dessin basé sur des photographies prises par la sonde Voyager 1 en 1979. Documents CNRS/NASA/JPL et T.Lombry.

Quant à la couleur des taches ovales, on sait aujourd'hui que les WOS peuvent changer de couleur au fil du temps. En effet, en 2006 l'astronome amateur Christophe Go remarqua que la WOS BA était devenue orange qui lui valut d'être surnommée la "Tache rouge junior". Ce phénomène n'avait pas été anticipé par les professionnels. Et pour cause, ce changement de couleur reste inexpliqué.

Ces zones de haute pression passent d'une couleur blanc-bleuté en début de vie à une coloration orange, brune ou rouge après plusieurs mois voire plusieurs années d'existence comme on le voit ci-dessous.

Pourquoi ces taches changent-elles de couleur ? On sait d'expérience que la GRS peut présenter une couleur plus vive quand elle absorbe une petite WOS par exemple comme ce fut le cas en 2014 où elle prit une couleur rouge brique mais nous ignorons comment la GRS et les WOS changent de couleur. Il est probable que le phénomène soit lié à des injections de matière organique (peut-être des nitriles et autres tholines) provenant soit d'altitude où la matière est irradiée par les UV soit des profondeurs où la matière est activée par l'énergie interne (chaleur et éclair).

Ci-dessus à gauche, la première apparition de la petite tache rouge "junior" sur Jupiter enregistrée en lumière bleue et rouge par le Télescope Spatial Hubble le 8 avril 2006. Il s'agit de l'ancienne WOS BA qui est devenue orange ! Au centre et à droite, aspect général de la Grande Tache Rouge (GRS qui mesurait à cette époque environ 22500 km de longueur), de la WOS BA transformée en tache rouge "junior" (en dessous) et d'une troisième tache rouge "baby" (à gauche de la GRS) le 23 mai 2008. Noter la couleur orange de la petite tache rouge "baby" qui est devenue blanc-crème en passant devant la Grande Tache Rouge et s'est ensuite diluée dans la circulation générale. Ci-dessous, la Tache rouge "junior" observée par le Télescope Spatial Hubble le 19 janvier 2015. Documents Hubble Site 2006, Hubble Site 2008 et NASA/ESA/STScI.

L'activité électrique de Jupiter

L'activité radioélectrique de Jupiter est surprenante. En 1955, les astronomes B.Burke et K.Franklin d'un observatoire proche de Washington cherchaient à compléter la carte radioélectrique du ciel, lorsqu'ils détectèrent de fortes émissions sur 22.2 MHz et des sursauts d'une période d'une seconde sur 20 MHz. Ils les attribuèrent tout d'abord à des interférences d'origines terrestres. Durant les mois qui suivirent les astronomes insistèrent, s'étonnant que la source se déplaçait sur le fond étoilé selon une trajectoire qui semblait être celle de Jupiter. Ce dernier se montra ainsi comme l'une des radiosources les plus puissantes du ciel.

Les longueurs d'ondes les plus courtes, inférieures à 2.54 cm (11.8 GHz) proviennent des nuages supérieurs de Jupiter et indiquent une température de -104°C, proche des températures obtenues par les mesures dans l'infrarouge. Celles qui sont donc un peu plus longues ne pouvaient provenir que de l'atmosphère, où les nuages devaient atteindre un degré d'échauffement absurde pour les émettre aussi fort. Les analyses radioélectriques ont montré que jusqu'à 70 cm de longueur d'onde, le rayonnement est d'origine thermique et provient de l'agitation des molécules dans l'atmosphère supérieure. Les ondes comprises entre 0.7 m et 670 m ne sont plus d'origine thermique, mais sont constituées de particules issues du vent solaire qui sont prises au piège d'un gigantesque champ magnétique sur lequel on reviendra

Ces émissions sont générées par des électrons spiralant dans un puissant champ magnétique, induisant un effet synchrotron. Elles parviennent aux radiotélescopes sous forme d'éclats ou de tempêtes. Dans la bande décamétrique (5 à 40 MHz) les éclats durent de quelques microsecondes à quelques secondes. Les tempêtes étant composées de milliers d'éclats, elles peuvent durer jusqu'à 2 heures, à l'instar de l'activité solaire. Un seul éclat d'une seconde libère autant d'énergie que celle enregistrée par 100 milliards d'éclairs terrestres ! Au cours d'une tempête, ces éclats se suivent les uns sur les autres sur un rythme saccadé, donnant à Jupiter une voix qui doit porter bien au-delà du système solaire.

Les plus grosses planètes ont ainsi une signature radioélectrique particulière, différente de celle des étoiles ou des galaxies, à la base d'une technique de radioastronomie qui permet de sonder l'Univers à la recherche d'exoplanètes.

A l'audition, ces sons font penser à une troupe marchant au pas, à des vagues déferlants sur une plage ou encore à une respiration, lors des périodes d'accalmie de son activité.

Frederick Scarf de la société américaine TRW et expert des plasmas a obtenu de surprenants enregistrements, où des notes délicates et cristallines, que d'autres interprètent comme des gazouillis d'oiseaux, se mêlent à des sonorités profondes, des sifflements suraigus, pour se combiner en motifs complexes, envoûtants pour certains initiés. D'ici il n'y a plus qu'un pas à franchir pour concrétiser tous ces sons en symphonie céleste comme le fit Herschel et plus récemment le compositeur japonais Isao Tomita (1932-2016) ou la physicienne Fiorella Terenzi.

A écouter : La musique de Jupiter

Structure du champ magnétique

Les radioastronomes ont remarqué que les ondes métriques comprises entre 3 et 15 m sont modulées par la position du satellite Io sur son orbite. Cette hypothèse confirme l'observation faite par Biggs en 1964. Il existe effectivement un tore de particules qui relie le satellite Io aux régions polaires de Jupiter. Ces gaz sont issus des éruptions volcaniques d’Io à raison d’une tonne par seconde et se déversent sur Jupiter en provoquant des aurores polaires. L'analyse des images prises par le Télescope Spatial Hubble confirme que ces aurores polaires ressemblent à celles qui apparaissent sur Terre dans les régions circumpolaires.

A gauche, une image composite UV et visible du pôle nord de Jupiter photographié en décembre 2000 par le Télescope Spatial Hubble. Les aurores sont 100 fois plus intenses et 100 plus vastes que sur Terre. A droite, en rose clair, la localisation des courants à l'origine de la formation des aurores de Jupiter. Documents NASA/ESA/STScI et JAXA.

A grande échelle, les données enregistrées par les sondes spatiales dont Juno en 2017 ont permis de confirmer les hypothèses des radioastronomes. Comme on le voit ci-dessous, à l'image de celui de la Terre, le champ magnétique de Jupiter forme une immense structure toroïdale asymétrique. Ce champ magnétique est de type bipolaire avec une inversion de polarité : l'aiguille de notre boussole indiquerait le Sud, avec une inclinaison d'environ 11° par rapport à l'axe de rotation de la planète. Cette inclinaison crée une oscillation du flux magnétique, donnant au champ de force une période de rotation qui correspond au Système III que nous avons introduit en première page.

Ce champ magnétique semble engendré par le noyau et les mouvements de la matière dans les profondeurs de Jupiter, comme c'est le cas pour la Terre. Le centre de ce dipôle est décalé de 700 km vers le nord, dont l'intensité maximale atteint 14.8 gauss au pôle Nord et 4.2 gauss à l'équateur, soit plus de huit fois supérieur au champ magnétique terrestre. L'énergie contenue dans ce champ magnétique est 200000 fois supérieure à celle de la Terre et n'a donc rien de comparable avec le nôtre. C'est le champ magnétique le plus puissant du système solaire après celui du Soleil.

Ce champ magnétique comprend plusieurs composantes importantes :

Comme la Terre, Jupiter s'entoure d'un champ magnétique, mais son niveau d'énergie est 200000 fois plus intense. Document Pearson Education Inc. adapté par l'auteur.

- L'onde ou arc de choc est la plus éloignée de Jupiter. Elle se situe à l'endroit où le vent solaire soufflant à plus de 415 km/s (1.5 millions de km/h) rebondit sur la magnétosheath qui sépare l'espace interplanétaire de la magnétopause jovienne tel un flot violent soulevé par l'étrave d'un navire.

- La magnétopause est une zone de plasma d'environ 10.5 millions de kilomètres de rayon soit 150 rayons joviens, contenant des particules presque totalement ionisées et des éléments neutres. Cette magnétopause est écrasée en direction du Soleil, compressée sur une vingtaine de rayons joviens tandis qu'elle s'étire à l'opposer du Soleil pour former une queue magnétique très longue, qui s'étend sur plus d'un milliard de kilomètres, au-delà de l'orbite de Saturne ! Cette extension s'explique par la vitesse de rotation du champ magnétique, créant une force telle que les particules attirées par Jupiter sont repoussées de plus en plus loin de la planète.

La magnétopause est la limite externe de la magnétosphère dont la structure se divise en 4 principales régions :

- La magnétosphère externe qui s'étend jusqu'aux limites de la magnétopause. Elle peut s'étendre pendant de rares instants jusqu'à 100 rayons joviens en direction du Soleil, ce qui est révélateur de la pression intense que peut exercer ce rayonnement corpusculaire. Les grandes ondes radioélectriques jusque 670 m ou 440 kHz sont émises par ce champ magnétique externe.

- La magnétosphère moyenne qui s'étend entre 20 et 60 rayons joviens. Elle forme un feuillet de courant très fin et de faible énergie (10-12 Gauss) autour de Jupiter.

- La magnétosphère interne qui s'étend jusqu'à environ 20 rayons joviens, où le champ magnétique de Jupiter influence le vent solaire. Elle contient les zones que l'on assimile aux ceintures Van Allen sur Terre. Divisée en deux parties, ce sont les endroits qui présentent le rayonnement le plus intense, jusqu'à 4 millions de particules par seconde et par centimètre cube aux environs de 200000 km au-dessus des nuages, 10000 fois l'intensité que l'on mesure autour de la Terre !

Cette magnétosphère interne se comporte de façon analogue à la magnétosphère terrestre, mais elle est perturbée par les satellites Europe (orbitant à ~10 rayons joviens) et Ganymède (~15 rayons joviens) qui gravitent dans cette zone.

- Les ceintures de radiations se divisent en deux composantes : une ceinture externe et une ceinture interne. Selon les relevés de la sonde Galileo, ces ceintures sont beaucoup plus étendues que les ceintures de Van Allen terrestres et 10 fois plus intenses.

La  ceinture externe s'étend sur 7 rayons joviens. C'est dans cette zone que gravite Io (à 6 rayons joviens) qui subit non seulement les forces de marée de Jupiter mais également son intense rayonnement corspusculaire.

Les ondes décamétriques proviennent de particules situées dans cette ceinture de radiations et à l'image de la planète, elles ne restent pas immobiles. A intervalles irréguliers, elles plongent en vastes essaims jusqu'à la partie supérieure de l'atmosphère où elles s'arrêtent brusquement, libérant une partie de leur énergie sous forme d'ondes électriques. Cet effet est appelé le "dumping". Jupiter émet aussi des rayons cosmiques qui furent attribués un temps à une émission de la Galaxie, tant ils étaient énergiques !

A gauche, illustration de la ceinture interne de radiations de Jupiter (en orange clair) où l'énergie des particules est la plus élevée et même mortelle pour un être humain. A droite, la dimension apparente de la magnétosphère de Jupiter si elle était visible à l'oeil nu et comparée à la Lune. Documents NASA/JPL et T.Lombry.

Plus près de Jupiter, à une distance d'environ 70000 km de la surface soit 1 rayon jovien, la sonde spatiale Pioneer 10 détecta une ceinture interne de radiations où le niveau des radiations atteint 1000 fois le seuil de tolérance de l'organisme humain (la dose létale vaut 500 rads) ! Deux des 340 photographies prises à ce moment là ne sont jamais parvenues au Jet Propulsion Laboratory (JPL).

C'est pour éviter tout risque de panne qu'en 2016 la NASA décida de faire passer la sonde spatiale Juno soit en-dehors des ceintures de radiations soit en dessous, si bien que Juno survolera Jupiter au périastre à seulement 5000 km des couches nuages.

- L'ionosphère est la région la plus proche de la planète. Elle est formée de 5 couches électrisées situées entre le niveau 1 mb qui correspond au sommet des ceintures colorées et environ 3000 km d'altitude. Elle sont à l'origine des émissions entre 1 et 15 m de longueur d'onde (300-20 MHz).

A partir de ces chiffres, on en déduit que si la magnétosphère de Jupiter était visible à l'oeil nu, vue depuis la Terre elle s'étendrait sur plus de 41' soit 1.4 fois le diamètre apparent de la Lune !

Prochain chapitre

Les anneaux et les satellites de Jupiter

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[2] Consulter le dossier consacré à la bioastronomie.


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