De 1995 à 2003, la sonde Galileo de la NASA a exploré le système de Jupiter. Ses dernières orbites ont conduit la sonde au plus profond des ceintures de radiation de la planète géante, où elle a également effectué un survol rapproché d’Amalthea. Crédit : Michael Carroll
Des chercheurs découvrent des ions d’oxygène et de soufre à haute énergie dans les eaux de la mer. JupiterLes chercheurs ont découvert des ions d’oxygène et de soufre à haute énergie dans les ceintures de radiation internes de Jupiter – et une source d’ions inconnue jusqu’alors.
Près de 20 ans après la fin de la guerre froide NASAPrès de 20 ans après la fin de la mission Galileo de la NASA vers Jupiter, des scientifiques dirigés par l’Institut Max Planck pour la recherche sur le système solaire (MPS) en Allemagne ont dévoilé un nouveau secret à partir des nombreuses données de la mission. Pour la première fois, l’équipe de recherche a pu déterminer sans aucun doute que les ions à haute énergie qui entourent la géante gazeuse dans le cadre de sa ceinture de radiation interne sont principalement des ions d’oxygène et de soufre. On pense qu’ils proviennent d’éruptions volcaniques sur Io, la lune de Jupiter. Près de l’orbite de la lune Amalthea, qui tourne autour de Jupiter plus à l’intérieur, l’équipe a découvert une concentration élevée inattendue d’ions oxygène à haute énergie qui ne peut être expliquée par l’activité volcanique de Io. Une source d’ions inconnue jusqu’alors doit être à l’œuvre ici. Les résultats de l’étude ont été publiés aujourd’hui dans la revue Science Advances.
Les planètes comme la Terre, Jupiter, et Saturne qui possèdent leur propre champ magnétique global, sont entourées de ce que l’on appelle des ceintures de radiation : Piégées dans le champ magnétique, des particules chargées se déplaçant rapidement, telles que des électrons, des protons et des ions plus lourds, tournent en rond et forment ainsi des ceintures de radiation invisibles, en forme de tore. Avec leurs vitesses élevées atteignant presque la vitesse de la lumière, ces particules peuvent ioniser d’autres molécules lorsqu’elles entrent en collision, créant ainsi un environnement dangereux qui peut également être dangereux pour les sondes spatiales et leurs instruments. À cet égard, la géante gazeuse Jupiter présente les ceintures de radiation les plus extrêmes du système solaire. Dans leur nouvelle publication, des chercheurs du SPM, du California Institute of Technology (USA), du Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (USA), du Laboratoire d’instrumentation et de physique expérimentale des particules (Portugal) et de l’Académie d’Athènes (Grèce) présentent l’étude la plus complète à ce jour des ions lourds dans les ceintures de radiation internes de Jupiter.
Alors que les ions oxygène et soufre de haute énergie à l’extérieur de l’orbite d’Amalthea proviennent de la magnétosphère lointaine comme sous-produits des éruptions volcaniques de Io, une autre source doit être responsable de la forte concentration d’ions oxygène de haute énergie à l’intérieur d’Amalthea, qui empêche la transmission de ces ions à travers son orbite. Crédit : MPS
Comme le champ magnétique massif de Jupiter, ses ceintures de radiation s’étendent sur plusieurs millions de kilomètres dans l’espace ; cependant, la région située dans l’orbite de la lune d’Europe, une zone d’un rayon d’environ 670 000 kilomètres autour de la géante gazeuse, est le théâtre des plus fortes densités et vitesses de particules énergétiques. Vu de Jupiter, Europe est le deuxième des quatre grands satellites joviens nommés “lunes galiléennes” d’après leur découvreur du 17ème siècle. Io est la lune galiléenne la plus intérieure. Avec les sondes spatiales Pioneer 11 au milieu des années 1970, Galileo de 1995 à 2003, et actuellement Juno, trois missions spatiales se sont jusqu’à présent aventurées dans cette partie la plus interne de ces ceintures de radiation et ont effectué des mesures in-situ. “Malheureusement, les données de Pioneer 11 et de Juno ne nous permettent pas de conclure sans aucun doute quel type d’ions les engins spatiaux ont rencontré là-bas”, explique le Dr Elias Roussos, scientifique du MPS et auteur principal de la nouvelle étude, décrivant l’état actuel de la recherche. “Par conséquent, leur énergie et leur origine n’étaient pas claires non plus jusqu’à présent”, ajoute-t-il. Seules les données redécouvertes des derniers mois de la mission Galileo sont suffisamment détaillées pour améliorer cette situation.
S’aventurer dans les ceintures de radiation intérieures
Le vaisseau spatial Galileo de la NASA a atteint le système de Jupiter en 1995. Équipée du compteur d’ions lourds (HIC), fourni par le California Institute of Technology, et du détecteur de particules énergétiques (EPD), développé et construit par le Johns Hopkins Applied Physics Laboratory en collaboration avec le MPS, la mission a passé les huit années suivantes à fournir des informations fondamentales sur la distribution et la dynamique des particules chargées autour de la géante gazeuse. Cependant, afin de protéger le vaisseau spatial, il a d’abord traversé uniquement les régions extérieures, moins extrêmes, des ceintures de radiation. Ce n’est qu’en 2003, peu avant la fin de la mission, lorsqu’un risque plus important était justifié, que Galileo s’est aventuré dans la région la plus interne de la ceinture de radiation.les orbites des lunes Amalthée et Thèbe. Vus de Jupiter, Amalthée et Thèbes sont les troisième et quatrième lunes de la planète géante. Les orbites de Io et Europa sont plus éloignées.
“En raison de l’exposition à de forts rayonnements, il fallait s’attendre à ce que les données de mesure du HIC et de l’EPD provenant de la région interne de la ceinture de radiation soient fortement corrompues. Après tout, aucun de ces deux instruments n’a été spécifiquement conçu pour fonctionner dans un environnement aussi difficile”, Roussos décrit ses attentes lorsqu’il a commencé à travailler sur l’étude actuelle il y a trois ans. Néanmoins, le chercheur voulait voir par lui-même. En tant que membre de l’équipe de la NASA Cassiniil avait assisté aux dernières orbites de Cassini, tout aussi audacieuses, vers Saturne deux ans plus tôt et analysé les données uniques de cette dernière phase de la mission. “La pensée de la mission Galileo, achevée depuis longtemps, ne cessait de me venir à l’esprit”, se souvient Roussos. À sa grande surprise, parmi les nombreux ensembles de données inutilisables, certains pouvaient être traités et analysés sans trop d’efforts.
Des ions d’oxygène énigmatiques
Grâce à ce trésor scientifique, les auteurs de l’étude actuelle ont pu déterminer pour la première fois la composition des ions dans les ceintures de radiation internes, ainsi que leur vitesse et leur distribution spatiale. Contrairement aux ceintures de radiation de la Terre et de Saturne, qui sont dominées par les protons, la région située dans l’orbite de Io contient également de grandes quantités d’ions oxygène et soufre, beaucoup plus lourds, les ions oxygène étant prédominants parmi les deux. “La distribution de l’énergie des ions lourds à l’extérieur de l’orbite d’Amalthea suggère qu’ils sont largement introduits à partir d’une région plus éloignée des ceintures de radiations”, explique Roussos. La lune Io, avec ses plus de 400 volcans actifs qui projettent régulièrement de grandes quantités de soufre et de dioxyde de soufre dans l’espace, et dans une moindre mesure, Europe, sont probablement les principales sources.
Plus à l’intérieur, dans l’orbite d’Amalthea, la composition ionique change radicalement en faveur de l’oxygène. “La concentration et l’énergie des ions d’oxygène sont beaucoup plus élevées que prévu”, explique Roussos. En fait, la concentration devrait diminuer dans cette région, car les lunes Amalthée et Thèbe absorbent les ions entrants ; les orbites des deux petites lunes forment ainsi une sorte de barrière ionique naturelle. Ce comportement est, par exemple, connu des ceintures de radiation du système Saturnien avec ses nombreuses lunes.
La seule explication de la concentration accrue d’ions oxygène est donc une autre source, locale, dans la région la plus interne des ceintures de radiation. La libération d’oxygène suite aux collisions des ions soufre avec les fines particules de poussière des anneaux de Jupiter constitue une possibilité, comme le montrent les simulations informatiques des chercheurs. Les anneaux, beaucoup moins lumineux que ceux de Saturne, s’étendent approximativement jusqu’à l’orbite de Thèbes. Cependant, il est également concevable que des ondes électromagnétiques de basse fréquence dans l’environnement magnétosphérique des ceintures de radiation les plus internes chauffent les ions oxygène aux énergies observées.
“Actuellement, il n’est pas possible de distinguer en faveur de l’une ou l’autre de ces sources possibles”, dit Roussos. Ces deux mécanismes candidats ont néanmoins des parallèles avec la production de particules de haute énergie dans les environnements stellaires ou extrasolaires, ce qui prouve que les ceintures de radiation de Jupiter s’étendent au domaine astrophysique, un fait qui, selon le chercheur, justifierait leur exploration future par une mission spatiale dédiée.
Références :
“Une source d’oxygène très énergétique située dans les ceintures de radiation internes de Jupiter” par Elias Roussos, Christina Cohen, Peter Kollmann, Marco Pinto, Norbert Krupp, Patricia Gonçalves et Konstantinos Dialynas, 12 janvier 2022, Science Advances.
DOI : 10.1126/sciadv.abm4234
“The in-situ exploration of Jupiter’s radiation belts” par Elias Roussos, Oliver Allanson, Nicolas André, Bruna Bertucci, Graziella Branduardi-Raymont, George Clark, Konstantinos Dialynas, Iannis Dandouras, Ravindra T. Desai, Yoshifumi Futaana, Matina Gkioulidou, Geraint H. Jones, Peter Kollmann, Anna Kotova, Elena A. Kronberg, Norbert Krupp, Go Murakami, Quentin Nénon, Tom Nordheim, Benjamin Palmaerts, Christina Plainaki, Jonathan Rae, Daniel Santos-Costa, Theodore Sarris, Yuri Shprits, Ali Sulaiman, Emma Woodfield, Xin Wu et Zonghua Yao, 30 octobre 2021, Astronomie expérimentale.
DOI: 10.1007/s10686-021-09801-0
