Des scientifiques résolvent un mystère de 40 ans sur les rayons X étonnamment puissants des aurores boréales de Jupiter

Une équipe de recherche a résolu un mystère vieux de plusieurs décennies sur la façon dont Jupiter produit une étonnante rafale de rayons X toutes les quelques minutes.

Une équipe de recherche dirigée par l’UCL (University College London) a résolu un casse-tête vieux de plusieurs décennies sur la façon dont Jupiter produit une incroyable rafale de rayons X toutes les quelques minutes.

Les rayons X font partie des aurores de Jupiter – des éclats de lumière visible et invisible qui se produisent lorsque des particules chargées interagissent avec l’atmosphère de la planète. Un phénomène similaire se produit sur Terre, où il crée les aurores boréales, mais Jupiter est beaucoup plus puissant, libérant des centaines de gigawatts d’énergie, ce qui est suffisant pour alimenter toute la civilisation humaine. *

Dans une nouvelle étude publiée dans progrès scientifiqueLes chercheurs ont combiné des observations rapprochées de l’environnement de Jupiter par le satellite Juno de la NASA, qui est actuellement en orbite autour de la planète, avec des mesures simultanées de rayons X de l’observatoire XMM-Newton de l’Agence spatiale européenne (en orbite terrestre).

L’équipe de recherche, dirigée par l’UCL et l’Académie chinoise des sciences, a découvert que les éruptions de rayons X étaient causées par des vibrations périodiques des lignes de champ magnétique de Jupiter. Ces vibrations créent des vagues de plasma (gaz ionisé) qui envoient des particules d’ions lourds « surfer » le long des lignes de champ magnétique jusqu’à ce qu’elles entrent en collision avec l’atmosphère de la planète, libérant de l’énergie sous forme de rayons X.

Images superposées du pôle de Jupiter du satellite Juno de la NASA et du télescope à rayons X Chandra de la NASA. La gauche montre une projection des rayons X des aurores boréales (magenta) de Jupiter sur l’image visible JunoCam du pôle Nord. La droite montre l’homologue sud. Crédit : NASA Chandra / Juno Walk / Dunn

Le co-auteur principal, le Dr William Dunn (UCLA Mullard Space Science Laboratory) a déclaré: « Nous avons vu Jupiter produire des aurores X pendant quatre décennies, mais nous ne savions pas comment cela s’était produit. Nous savions qu’elles n’étaient produites que lorsque les ions frapper l’atmosphère atmosphère de la planète.

« Nous savons maintenant que ces ions sont transportés par des ondes plasma – une explication qui n’a pas été proposée auparavant, bien qu’un processus similaire produise la propre aurore de la Terre. Par conséquent, il pourrait s’agir d’un phénomène mondial, présent dans de nombreux environnements différents dans l’espace ».

Les aurores de rayons X se produisent aux pôles nord et sud de Jupiter, souvent avec un mouvement d’horlogerie régulier – pendant cette observation, Jupiter produisait des rafales de rayons X toutes les 27 minutes.

Les particules d’ions chargés qui frappent l’atmosphère proviennent du gaz volcanique s’écoulant dans l’espace des volcans géants de la lune de Jupiter, Io.

Ce gaz est ionisé (ses atomes sont dépouillés d’électrons) en raison de collisions dans l’environnement immédiat de Jupiter, formant un beignet de plasma qui entoure la planète.

Pour la première fois, les astronomes ont vu la façon dont le champ magnétique de Jupiter est comprimé, ce qui chauffe les particules et les dirige le long des lignes de champ magnétique vers l’atmosphère de Jupiter, créant des aurores de rayons X. La communication a été faite en combinant les données in-situ de la mission Juno de la NASA avec les observations aux rayons X de l’instrument XMM-Newton de l’ESA. Crédit : ESA/NASA/Yao/Dunn

Le co-auteur principal, le Dr Zhonghua Yao (Académie chinoise des sciences, Pékin) a déclaré : « Maintenant que nous avons identifié ce processus fondamental, il existe une multitude de possibilités où il peut être étudié ensuite. Des processus similaires sont susceptibles de se produire autour de Saturne, Uranus, Neptune, et peut-être autour des exoplanètes.Aussi, avec différents types de particules chargées « surfant » les vagues.

La co-auteure, la professeure Graziella Brandoardi-Raymont (UCLA Space Science Laboratory), a déclaré : « Les rayons X sont généralement produits par des phénomènes extrêmement puissants et violents tels que les trous noirs et les étoiles à neutrons, il semble donc étrange que seules les planètes les produisent également.

« Nous ne pouvons jamais visiter les trous noirs, car ils vont au-delà du voyage spatial, mais Jupiter est à notre porte. Avec Juno en orbite autour de Jupiter, les astronomes ont désormais une opportunité fantastique d’étudier de près un environnement produisant des rayons X. »

Pour la nouvelle étude, les chercheurs ont analysé les observations de Jupiter et de son environnement en continu sur une période de 26 heures par les satellites Juno et XMM-Newton.

Ils ont trouvé une corrélation claire entre les ondes dans le plasma détectées par Juno et les éruptions de rayons X aurorales du pôle nord de Jupiter enregistrées par XMM-Newton. Ensuite, ils ont utilisé la modélisation informatique pour confirmer que les ondes pousseraient les particules lourdes dans l’atmosphère de Jupiter.

La raison pour laquelle les lignes de champ magnétique vibrent périodiquement n’est pas claire, mais la vibration peut résulter d’interactions avec le vent solaire ou de flux de plasma à grande vitesse dans la magnétosphère de Jupiter.

Le champ magnétique de Jupiter est extrêmement fort – environ 20 000 fois plus fort que la Terre – et donc la magnétosphère de Jupiter, la zone contrôlée par ce champ magnétique, est extrêmement grande. S’il était visible dans le ciel nocturne, il couvrirait une zone plusieurs fois la taille de notre Lune.

Le travail a été soutenu par l’Académie chinoise des sciences, la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine, le UK Science and Technology Facilities Council (STFC), la Royal Society, le Natural Environment Research Council, ainsi que l’Agence spatiale européenne et la NASA.

* Les aurores à rayons X de Jupiter libèrent à elles seules des gigawatts, l’équivalent de ce qu’une seule centrale électrique produirait au fil des jours.

Référence : 9 juillet 2021, progrès scientifique.
DOI : 10.1126 / sciadv.abf0851