Quand le vent solaire réchauffe l’atmosphère de Jupiter

Suite à des observations menées par un groupe international de chercheurs dont font partie Denis Grodent et Bertrand Bonfond du LPAP (Unité de recherche STAR / Faculté des Sciences), il s’avère que lorsque le vent solaire est plus fort, l'échauffement de la base de l'atmosphère polaire de la géante gazeuse Jupiter est plus important. Ces observations font l’objet d’une publication dans la revue Nature Astronomy (1).

S

i l’on savait que le phénomène d’aurores polaires se produisait aux pôles de Jupiter, les chercheurs étaient loin de penser qu’elles pouvaient avoir un impact si important sur la plus grosse planète de notre système solaire. Sur Terre, les aurores polaires (appelées aurores boréales au pôle nord et aurores australes au pôle sud) résultent de l’interaction entre les particules éjectées par le soleil -  formant le vent solaire - et le champ magnétique terrestre. Ces particules réagissent directement aux sursauts du vent solaire, et créent ces belles lumières que l’on connaît. Les aurores qui se produisent au niveau terrestre ont un impact en terme de réchauffement qui se limite aux couches les plus hautes de l’atmosphère, au dessus de 100 km et ne sont donc pas ressenties près de la surface.

Une équipe internationale de chercheurs, emmenée par l’astronome James Sinclair du Jet Propulsion Laboratory de la NASA - dont font partie Denis Grodent et Bertrand Bonfond, planétologues au Laboratoire de Physique Atmosphérique et Planétaire (LPAP) de l’ULiège - vient de poser l’œil sur un mécanisme assez inattendu lié au phénomène des aurores polaires qui se produisent sur Jupiter. Grâce à des images en infrarouge prises par l’instrument COMICS (Cooled-Mid-Infrared Camera and Spectrograph) du télescope Subaru de l’Observatoire National du Japon situé au sommet du Mauna Kea à Hawaii, les chercheurs ont en effet pu observer que les aurores polaires réchauffaient l’atmosphère de Jupiter en profondeur. « Nous savions déjà que le vent solaire impactait fortement les aurores ultraviolettes et en rayons X sur Jupiter, explique le Pr. Denis Grodent, directeur du LPAP, et ces nouvelles observations indiquent qu’il n’y a pas que la haute atmosphère qui réagit aux tumultes du milieu interplanétaire, mais son influence s'étend encore plus bas, jusque dans la stratosphère, qui s’échauffe elle aussi quand le vent solaire s’anime. »

Les images infrarouges capturées au cours de la campagne d’observation de janvier, février et mai 2017 montrent clairement des points chauds près des pôles, où se trouvent les aurores de Jupiter qui créent le réchauffement. "Paradoxalement, c'est l'effet de refroidissement infrarouge que l'on observe. Mais celui-ci est d'autant plus important que l'échauffement et la température de l'atmosphère augmentent", explique Denis Grodent. Le réchauffement se produit lorsque la magnétosphère et le vent solaire interagissent. « Non seulement l’atmosphère polaire de Jupiter réagit aux aléas du vent solaire, mais en plus, elle réagit très vite, reprend Bertrand Bonfond, chercheur qualifié F.R.S.-FNRS au LPAP, c’est une découverte surprenante ! » Sur base des clichés récupérés par l‘équipe, on peut clairement voir qu’à peine un jour après que le vent solaire ait frappé Jupiter, la chimie et la structure de son atmosphère changent et sa température augmente significativement. 

Images infrarouges de Jupiter enregistrées par l’instrument COMICS (Cooled Mid-Infrared Camera and Spectrograph) au télescope Subaru au sommet du Mauna Kea, à Hawaii. Ces images ont été capturées à quelques heures d'intervalle, du 11 au 12 janvier 2017, et illustrent la rapidité avec laquelle l'atmosphère a montré les effets du vent solaire. Crédit: NAOJ et NASA / JPL-Caltech

Ce phénomène découvert par les chercheurs pourrait expliquer pourquoi sur Jupiter la température atmosphérique aux pôles est plus élevée qu'à l'équateur, ce qui est exactement le contraire de la Terre. Ces observations suggèrent également la présence d'un mécanisme d'autorégulation qui empêche que la température de la thermosphère polaire augmente trop, ce qui pourrait provoquer son échappement. L'échauffement provoquerait en effet la remontée d'hydrocarbures (comme le méthane CH₄) qui ont la faculté de refroidir l'atmosphère en transformant la chaleur en rayonnement infrarouge, rayonnement qui a justement été observé par l'équipe. Ce type de mécanisme existe également dans la haute atmosphère terrestre, où des constituants tels que le dioxyde de carbone (CO₂) ou le monoxyde d'azote (NO) peuvent refroidir l'atmosphère pendant des périodes de fort échauffement auroral. Il est donc possible d'observer (et donc de valider) des processus physiques et chimiques semblables dans des atmosphères aussi différentes que celles de la Terre et de Jupiter.

Référence scientifiques

J. A. Sinclair,  G. S. Orton, J. Fernandes, Y. Kasaba, T. M. Sato, T. Fujiyoshi, C. Tao, M. F. Vogt, D. Grodent, B. Bonfond, J. I. Moses, T. K. Greathouse, W. Dunn, R. S. Giles, F. Tabataba-Vakili, L. N. Fletcher & P. G. J. Irwin, A brightening of Jupiter’s auroral 7.8-μm CH4 emission during a solar-wind compression, Nature Astronomy, 8 April 2019

Image de couverture :

Les scientifiques ont utilisé du rouge, du bleu et du jaune pour représenter les émissions infrarouges de Jupiter et mettre en évidence le réchauffement qui se produit aux pôles de Jupiter en raison des vents solaires. Images infrarouges de Jupiter, sensibles à ses températures stratosphériques, enregistrées par l’instrument COMICS (Cooled Mid-Infrared Camera and Spectrograph) au télescope Subaru au sommet du Mauna Kea, à Hawaii. Cette image a été capturée le 12 janvier 2017. Crédit: NAOJ et NASA / JPL-Caltech