Jupiter est bien connue pour ses aurores spectaculaires, grâce en grande partie à la Juino orbiteur et images récentes prises par le Télescope spatial James Webb (JWST). Comme la Terre, ces affichages éblouissants résultent de l’interaction de particules solaires chargées avec le champ magnétique et l’atmosphère de Jupiter. Au fil des ans, les astronomes ont également détecté de faibles aurores dans les atmosphères des plus grandes lunes de Jupiter (alias les « lunes galiléennes »). Celles-ci sont aussi le résultat de l’interaction, dans ce cas, entre le champ magnétique de Jupiter et les particules émanant des atmosphères des lunes.
La détection de ces faibles aurores a toujours été un défi car la lumière du soleil réfléchie par les surfaces des lunes efface complètement leurs signatures lumineuses. Dans une série d’articles récents, une équipe dirigée par l’Université de Boston et Caltech (avec le soutien de la NASA) a observé les lunes galiléennes alors qu’elles passaient dans l’ombre de Jupiter. Ces observations ont révélé qu’Io, Europa, Ganymède et Callisto connaissent toutes des aurores d’oxygène dans leurs atmosphères. De plus, ces aurores sont d’un rouge profond et presque 15 fois plus brillantes que les motifs verts familiers que nous voyons sur Terre.
L’équipe de recherche comprenait des astronomes du Center for Space Physics (CSP) de l’Université de Boston, de la Division des sciences géologiques et planétaires (GPS) de Caltech, du Laboratoire de physique atmosphérique et spatiale (LASP) de l’Université du Colorado, de la Terre et des planètes Science à l’UC Berkeley, au Large Binocular Telescope Observatory (LBT), au Southwest Research Institute (SwRI), au Planetary Science Institute (PSI), au Leibniz-Institute for Astrophysics Potsdam (AIP) et au Goddard Space Flight Center de la NASA. Les deux études, intitulées “The Optical Aurorae of Europa, Ganymede, and Callisto” et “Io’s Optical Aurorae in Jupiter’s Shadow”, sont parues le 16 février dans le Revue des sciences planétaires.
Les observations de l’équipe ont combiné les données du spectromètre échelle haute résolution (HIRES) de l’observatoire Keck avec les spectres haute résolution du grand télescope binoculaire (LBT) et de l’observatoire Apache Point (APO). Ces observations ont été chronométrées pour voir Io, Europe, Ganymède et Callisto lorsqu’ils sont entrés dans l’ombre de Jupiter pour éviter les interférences de la lumière solaire réfléchie sur leurs surfaces. Ces données ont révélé des informations précieuses concernant la composition des atmosphères des lunes, qui comprenait du gaz oxygène (comme prévu).
Katherine de Kleer, professeur à Caltech et auteur principal de l’un des deux articles, a expliqué dans un communiqué de presse de l’Observatoire Keck :
« Ces observations sont délicates car dans l’ombre de Jupiter, les lunes sont presque invisibles. La lumière émise par leurs faibles aurores est la seule confirmation que nous avons même pointé le télescope au bon endroit. La luminosité des différentes couleurs des aurores nous indique de quoi sont probablement composées les atmosphères de ces lunes. Nous constatons que l’oxygène moléculaire, tout comme ce que nous respirons ici sur Terre, est probablement le principal constituant des atmosphères glacées de la lune.
Les quatre lunes galiléennes ont montré les mêmes aurores d’oxygène, similaires à ce que nous voyons avec les aurores boréales et australes (les aurores boréales et australes) ici sur Terre. Dans le cas d’Europe, Ganymède et Callisto, la teneur en oxygène de leurs atmosphères est due à la photolyse, un processus où la glace d’eau se sublime et est décomposée par le rayonnement solaire en son gaz hydrogène et son oxygène. Dans le cas d’Io, l’oxygène est causé par le dioxyde de soufre (vomit par les nombreux volcans qui parsèment sa surface) interagissant avec le rayonnement solaire pour former du monoxyde de soufre et de l’oxygène élémentaire.
Mais en raison de leurs atmosphères beaucoup plus fines, cet oxygène brille dans le rouge profond et (pour Europe et Ganymède) dans les longueurs d’onde infrarouges – ces dernières étant indétectables à l’œil humain. En raison de l’activité volcanique d’Io, des sels comme le chlorure de sodium et le chlorure de potassium sont également présents dans l’atmosphère, où ils sont également décomposés par le rayonnement solaire. Cela conduit à des aurores sur Io émettant une lueur jaune-orange (causée par le sodium) et rougeoyantes dans l’infrarouge (causées par le potassium).
C’était la première fois que des astronomes observaient cette lueur infrarouge dans l’atmosphère de ces lunes. De plus, les nouvelles mesures ont également révélé des preuves minimes de vapeur d’eau, qui était auparavant considérée comme un composant des atmosphères d’Europe, de Ganymède et de Callisto. Selon la théorie, les trois lunes ont des océans intérieurs sous leurs surfaces glacées, et il existe même des preuves provisoires que la vapeur d’eau dans l’atmosphère d’Europe peut résulter de l’activité du panache. On pense que ces panaches sont connectés à l’océan intérieur de la lune ou à des réservoirs de liquide dans sa coquille glacée.
Les observations ont également montré comment le champ magnétique incliné de Jupiter fait varier la luminosité des aurores lors de la rotation de la géante gazeuse. L’inclinaison de ce champ, d’environ 10° par rapport à l’axe de rotation de Jupiter par rapport à l’inclinaison de 11° de la Terre, signifie que les lunes connaîtront une plus grande interaction à certains moments de leur orbite. Enfin, ils ont également noté la rapidité avec laquelle les atmosphères réagissaient aux changements de température provoqués par la transition entre l’exposition au soleil et le passage dans l’ombre de Jupiter. Dit Carl Schmidt, professeur d’astronomie à l’Université de Boston et auteur principal du deuxième article :
«Le sodium d’Io devient très faible dans les 15 minutes suivant l’entrée dans l’ombre de Jupiter, mais il faut plusieurs heures pour récupérer après son émergence dans la lumière du soleil. Ces nouvelles caractéristiques sont très utiles pour comprendre la chimie atmosphérique d’Io. C’est bien que les éclipses de Jupiter offrent une expérience naturelle pour apprendre comment la lumière du soleil affecte son atmosphère.
Ces dernières observations ont ajouté de l’enthousiasme à ce qui est déjà un domaine de recherche très excitant. Dans les années à venir, les agences spatiales enverront davantage d’explorateurs robotiques à Europa et Ganymède – Europa Clipper de la NASA et JUpiter ICy moon Explorer (JUICE) de l’ESA. Ces missions effectueront de multiples survols de ces lunes, recueilleront des données sur les compositions de leurs atmosphères et surfaces, et tenteront de repérer des indices de vie possible dans leurs intérieurs (« biosignatures »). Voir ces aurores rouge vif de près sera tout simplement époustouflant !
Lectures complémentaires : Observatoire de Keck
