LESIA - Observatoire de Paris

Le télescope spatial James Webb observe la surface glacée de Ganymède

2023-12-20T10:27:05Z

Dans deux articles publiés en juillet 2023 dans la revue Science Advances puis en décembre 2023 dans Astronomy & Astrophysics, une équipe internationale incluant des chercheurs du CNRS (LESIA, IPAG), de l'Observatoire de Paris et de l'Université Grenoble Alpes, présente les premières observations du plus gros satellite de Jupiter, Ganymède, par le télescope spatial James Webb [1]. Elles révèlent de nouveaux détails sur la texture et la nature des constituants de la surface glacée de Ganymède. Ces caractéristiques varient en fonction du taux de bombardement des ions et électrons provenant de la magnétosphère jovienne, et peut-être même selon l'heure locale.


Ganymède, photographié par la sonde Juno de la NASA le 7 juin 2021: Crédits image : NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Kalleheikki Kannisto

Ganymède est la plus grosse des lunes galiléennes de Jupiter avec Io, Europe et Callisto. Elle est même plus grosse que la planète Mercure et à peine plus petite que Mars. Ganymède est un monde constitué pour moitié d'eau, et pour l'autre moitié de silicates et de matière carbonée. Elle abrite sous sa croûte glacée le plus grand océan d'eau liquide du système solaire. Ganymède est un archétype des mondes glacés tels qu'on en trouve autour des planètes géantes de notre système solaire, mais aussi sans doute autour d'autres étoiles.

Sa surface présente des régions claires et jeunes, témoignant d'une importante activité passée, lors de laquelle des matériaux provenant de l'océan interne ont pu être remontés en surface. D'autres régions plus sombres et anciennes, comportent peut-être des matériaux datant de son accrétion et/ou des dépôts de poussières cométaires ou astéroïdales. Pour tenter de déchiffrer l'histoire de la surface de Ganymède, il faut donc identifier les constituants de ces différentes régions et comprendre comment ils se transforment sous l'effet des processus affectant sa surface. Ces processus, induits par le rayonnement solaire, par les ions et électrons énergétiques provenant de la magnétosphère de Jupiter, ou encore par l'impact de micro-météorites, peuvent modifier les constituants de la surface.

Les instruments NIRSpec [2] et MIRI [3] du télescope spatial James Webb ont observé Ganymède en août 2022 et obtenu des spectres de la lumière aux longueurs d'onde infrarouge (de 2,9 à 5,2 micromètres pour NIRSpec, et de 4,9 à 11,2 micromètres pour MIRI) couvrant l'ensemble de la surface. Ces spectres de la lumière réfléchie du soleil ou du rayonnement thermique émis par la surface de Ganymède ont été confrontés à des mesures de laboratoire et à des modèles, afin d'estimer sa texture, sa composition et sa température.

Ces nouvelles observations confirment que la surface est assez rugueuse à l'échelle du millimètre à la dizaine de centimètres et que ses premiers micromètres d'épaisseur sont globalement poreux et principalement constitués de glace d'eau cristalline, mélangée à d'autres molécules (CO₂, H₂O₂, et peut-être des hydrates d'acide sulfurique, entre autres) et minéraux (peut-être des sels, phyllosilicates, minéraux opaques etc.).

Les régions polaires de Ganymède sont recouvertes de davantage de glace d'eau dont la texture est différente, possiblement plus rugueuse, à grains fins, ou contenant plus de défauts internes que dans les régions équatoriales. De plus, la précision spectrale du télescope James Webb a permis de mettre en évidence la présence de glace d'eau amorphe, une phase dans laquelle les molécules de H₂O sont désordonnées. Ces propriétés particulières de la glace polaire pourraient s'expliquer par le bombardement des particules magnétosphériques, plus intense aux pôles qu'à l'équateur en raison du champ magnétique de Ganymède. En effet, Ganymède est le seul satellite du système solaire à posséder un champ magnétique, produit par son noyau de fer liquide.

Ce bombardement des particules magnétosphériques provoque aussi la décomposition (radiolyse) de H₂O et la formation de nouvelles molécules. Le télescope James Webb a détecté pour la première fois du peroxyde d'hydrogène (H₂O₂) formé par cette chimie radiolytique, principalement dans les régions polaires nord et sud de Ganymède. En revanche, sur Europe le H2O2 est surtout présent dans les régions équatoriales, indiquant que les processus chimiques se déroulent de manière différente sur ces deux satellites glacés de Jupiter.

Ces nouvelles observations fournissent aussi des détails inédits sur l'état du dioxyde de carbone (CO₂) présent en phase solide à la surface de Ganymède. En fonction des régions, il semble piégé dans différentes matrices solides : dans des minéraux ou des sels aux basses latitudes, et dans la glace d'eau amorphe aux hautes latitudes. Il reste encore à comprendre quelle est la source de ce CO₂ et comment il serait piégé.

Aux basses latitudes, les spectres des terrains sombres suggèrent la présence d'une couche superficielle hyper-poreuse constituée d'un mélange de grains de minéraux opaques extrêmement fins (des sulfures ou encore des oxydes de fer) et d'autres minéraux, par exemple des sels de sulfate et des phyllosilicates. Sur la face arrière de Ganymède, les terrains sombres situés au bord du levant (c'est-à-dire là où le Soleil vient de se lever) sont recouverts de glace ayant une réflectivité particulière. Il pourrait s'agir d'un givre matinal, se sublimant au cours de la journée. La disparition de givre matinal sur Ganymède avait déjà été proposée par les astronomes Henri Camichel, Marcel Gentili et Bernard Lyot suite à des observations depuis le Pic du Midi entre 1941 et 1945. Ces nouvelles données dans l'infrarouge semblent confirmer cette hypothèse. Le givre se formerait durant la nuit, non par condensation de l'atmosphère car elle est trop fine, mais plutôt par condensation de la vapeur d'eau provenant du sous-sol, comme cela a été observé sur le noyau de la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko par la mission Rosetta.

Ainsi, malgré les faibles températures qui y règnent, entre -180 et -110°C, et l'absence d'une atmosphère épaisse, les observations du télescope James Webb indiquent que la surface de Ganymède connaît des transformations chimiques et peut-être des variations diurnes. Ces informations contribueront à optimiser les opérations de la sonde spatiale JUICE de l'agence spatiale européenne (ESA), comportant plusieurs instruments sous la responsabilité du CNES. Lancée le 14 avril 2023, JUICE atteindra Jupiter en juillet 2031 et se placera en orbite autour de Ganymède en 2034 pour l'étudier de manière plus approfondie.

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Exemples de cartes des propriétés de la glace d'eau (H₂O) et du dioxyde de carbone (C_O2) à la surface de Ganymède: Elles ont été réalisées grâce aux données de l'instrument NIRSpec2 équipant le télescope spatial James Webb. Le quadrillage blanc représente les lignes de latitude et de longitude tous les 30°. Les lignes vertes représentent les latitudes au-delà desquelles le champ magnétique de Ganymède ne joue plus le rôle de bouclier face aux particules énergétiques de la magnétosphère de Jupiter. Ainsi, de ces lignes aux pôles la surface est davantage irradiée que dans les régions équatoriales. (Bockelée-Morvan et al., 2023).

Publications

S. K. Trumbo, M. E. Brown, D. Bockelée-Morvan, I. de Pater, T. Fouchet, M. H. Wong, L. N. Fletcher, K. de Kleer, E. Lellouch, A. Mura, O. Poch, E. Quirico, P. Rodriguez-Ovalle, M. R. Showalter, M. S. Tiscareno, F. Tosi, Hydrogen peroxide at the poles of Ganymede, Science Advances 9 (29), 2023 https://doi.org/10.1126/sciadv.adg3724 ; https://hal.science/hal-04168736v1

D. Bockelée-Morvan, E. Lellouch, O. Poch, E. Quirico, S. Cazaux, I. de Pater, T. Fouchet, P. M. Fry, P. Rodriguez-Ovalle, F. Tosi, M. H. Wong, I. Boshuizen, K. de Kleer, L. N. Fletcher, L. Meunier, A. Mura, L. Roth, J. Saur, B. Schmitt, S. K. Trumbo, M. E. Brown, J. O'Donoghue, G. S. Orton, and M. R. Showalter, Composition and thermal properties of Ganymede's surface from JWST/NIRSpec and MIRI observations, Astronomy & Astrophysics, 2023 https://doi.org/10.1051/0004-6361/202347326 ; https://hal.science/hal-04281451v1

[1] Ces observations ont été acquises dans le cadre du programme Early Science Release ERS 1373 « ERS observations of the Jovian System as a demonstration of JWST's capabilities for Solar System Science » (PIs : I. de Pater & T. Fouchet). Leur analyse est financée par l'Agence Nationale de la Recherche (programme PRESSE, ANR-21-CE49-0020-01)

[2] NIRSpec (Near Infrared spectrograph) a été construit pour l'Agence Spatiale Européenne (ESA) par le consortium Astrium. Les observations de Ganymède ont été réalisées avec le mode ‘integral field unit' (IFU).

[3] MIRI (Mid-Infrared Instrument) a été proposé, conçu et réalisé par un consortium Européen, sous l'égide de l'ESA, en collaboration avec le JPL. La participation française à la réalisation de cet instrument s'est effectuée à travers le Centre National d'Études Spatiales (CNES). Les observations de Ganymède ont été réalisées avec la composante MRS (medium resolution spectroscopy).

Carte de voeux 2024 au format électronique

2023-12-19T14:41:37Z

- 2023

Soutenance de thèse d'Alexander Vinogradov le mardi 5 décembre 2023

Luc Heintze — 2023-11-29T11:02:38Z

La soutenance de thèse d'Alexander Vinogradov aura lieu le mardi 5 décembre 2023 à 15h00, dans l'amphithéâtre Evry Schatzman du bâtiment 18 .

Elle sera diffusée en direct sur la chaîne YouTube du LESIA :

https://www.youtube.com/channel/UCzPLngWE_6JVuJ4szh8U-RQ

La thèse sera soutenue en anglais.

Titre de la thèse

"Coherent structures from MHD to sub-ion scales in turbulent solar wind"

Résumé

The solar wind is a rarefied plasma flow propagating away from the Sun and filling the interplanetary space. It is supersonic, super-alfvenic and turbulent. Plasma turbulence in the solar wind manifests itself by large amplitude fluctuations in electromagnetic and velocity fields, in density and temperature. An important ingredient of space plasma turbulence is intermittency, i.e., non-homogeneity of fluctuations related to appearance of localized coherent structures.

We use Parker Solar Probe spacecraft data to study such structures close to the Sun (at 0.17 au). We find coherent structures not only on large magnetohydrodynamic (MHD) scales, but also at kinetic scales. In odd with previous observations, we show that Alfven vortices are dominant events. More rare, planar current sheets are also observed. For the first time, we show that these structures at MHD scales include ion-scale vortices and in their turn, the sub-ion vortices are embedded within the ion-scale ones.

Soutenance de thèse de Claire Baskevitch le 8 décembre 2023

Luc Heintze — 2023-11-28T13:42:34Z

La soutenance de thèse de Claire Baskevitch aura lieu le vendredi 8 décembre 2023 à 14h00 dans la salle de conférences du château.

Elle sera diffusée en direct sur Zoom :

https://cnrs.zoom.us/j/98502666186?pwd=UVQ3MVVReDc4WE9lbDJyNzZ5UGdLUT09

La soutenance sera suivie d'un pot qui aura lieu dans le hall Uranie du château.

Titre de la thèse

"Modélisation de l'interaction du plasma jovien avec l'environnement d'Europe"

Résumé

Europe, l'un des quatre satellites galiléens de Jupiter, fait l'objet d'une attention particulière de la communauté scientifique car il est susceptible d'abriter des conditions d'habitabilité favorables. La présence d'un océan d'eau liquide salée en sous-surface a été mise en évidence par l'analyse des observations de la sonde Galileo, combinée à des simulations numériques. Par ailleurs, des observations du télescope spatial Hubble et la réanalyse de données de la sonde Galileo, comparées à des simulations numériques ont renforcé l'hypothèse de la présence de panaches de vapeur d'eau. Traverser ces dernières pourrait permettre de comprendre la composition de l'océan sous-terrain.

L'exploration des lunes galiléennes constitue l'un des principaux objectifs de la mission JUICE (JUpiter ICy moons Explorer) de l'ESA. En préparation des futures observations, un effort de modélisation a été entrepris pour caractériser le système magnétosphère de Jupiter-Europe. Pour caractériser l'interaction entre le plasma jovien, le champ magnétique et l'atmosphère d'Europe, j'ai utilisé le modèle LatHyS (LATMOS Hybrid Simulation). LatHyS est un modèle de simulation hybride 3D, multi-espèces et parallèle qui combine une description cinétique des ions avec une description fluide des électrons. Ce modèle de simulation nous permet de représenter la dynamique et la structure de l'environnement ionisé dans lequel baigne la lune.

Mon travail a consisté à développer l'environnement d'Europe au sein de LatHyS. L'atmosphère et l'ionosphère en ont notamment été un aspect central. Les modèles d'interactions Europe-plasma jovien décrivent l'atmosphère de manière empirique et avec un modèle analytique. Cependant, j'ai mis en place une description issue d'un modèle d'exosphère planétaire 3D, appelé EGM, pour caractériser l'atmosphère d'Europe. En couplant EGM avec LatHyS, nous pouvons prendre en compte diverses espèces neutres majoritaires, intégrer des asymétries et obtenir une ionosphère plus proche de la réalité.

En parallèle, j'ai développé une méthode d'optimisation qui permet de réduire la taille de l'environnement de la simulation, ce qui permet de réduire le temps d'exécution. Par la suite, j'ai réalisé de multiples simulations comparant diverses conditions neutres et ionosphériques (d'empirique à entièrement modélisées) avec des observations de Galileo afin d'étudier la réponse du système lors de ces variations. Puis j'ai analysé la réponse du plasma à un environnement théorique pendant les deux survols prévus d'Europe par JUICE. Pour finir, j'ai travaillé sur un programme qui calcule la propagation d'une onde radio dans un environnement magnétique.

C'est un travail préliminaire qui a pour but d'intégrer l'environnement simulé par le modèle LatHyS dans ce code de tracé de rayon afin d'étudier la propagation des ondes radio émises par Jupiter lors d'une occultation observée par la sonde JUICE.

Soutenance de thèse de Julien Plante le jeudi 30 novembre 2023

Luc Heintze — 2023-11-22T15:41:41Z

La soutenance de thèse de Julien PLANTE aura lieu le jeudi 30 novembre 2023 à 10h00, dans l'amphithéâtre Evry Schatzman du bâtiment 18 sur le site de Meudon.

Elle sera diffusée en direct sur la chaîne YouTube du LESIA :

https://www.youtube.com/channel/UCzPLngWE_6JVuJ4szh8U-RQ

La thèse sera soutenue en anglais.

Titre de la thèse

"Enabling technologies for real-time acquisition and processing of large volumes of data and their applications to giant astronomical telescopes and radar systems"

Résumé

Systems of our world are following a constant growth in terms of precision, speed and electrical consumption. This growth involves the production of always bigger volumes of data, which become difficult to process using today's standard technologies. In the context of this PhD, we looked into emerging technologies such as GPU computing, userland networking, DPDK and GPUDirect, which are able to answer this need, and applied them to multiple real-life projects (wavefront acquisition for adaptive optics, real-time fast radio burst detection, radar signal processing) with success. These results are very encouraging towards overcoming the bottleneck of current standard technologies, and are promising regarding a massive use in many domains (astronomy, radar, but also autonomous vehicules, finance, etc).

Les tests de qualification mécaniques de l'instrument DraMS-GC réalisés avec succès !

2023-11-14T15:31:14Z

La mission Dragonfly (« libellule en français ») est une mission organisée par la NASA sous maîtrise d'œuvre de l'université américaine Johns Hopkins. Son objectif est d'étudier l'atmosphère et la surface de Titan, le plus gros des satellites de Saturne. Son lancement est prévu en 2027 pour une arrivée sur Titan en 2034. Elle embarque à son bord l'instrument DraMS-GC (Dragonfly Mass Spectrometer and Gas Chromatograph), un chromatographe en phase gazeuse couplé à un spectromètre de masse qui implique notamment deux équipes techniques du LESIA. Son objectif est d'identifier des composés organiques dans des échantillons de surface, à la recherche de molécules organiques complexes d'intérêt pour la chimie prébiotique (avant l'apparition de la vie telle qu'on la connaît sur Terre).

L'instrument DraMS-GC, réalisé sous la responsabilité du LATMOS (Laboratoire Atmosphères, Observations Spatiales) et développé en collaboration avec le CNES, est un chromatographe en phase gazeuse. Embarqué sur la mission Dragonfly, il sera couplé à un spectromètre de masse afin d'analyser la composition moléculaire de la matière organique des échantillons du sol de Titan. La maîtrise d'œuvre de cette mission est assurée par l'université américaine Johns Hopkins située à Baltimore (USA).

L'instrument effectuera une analyse chimique de la composition de différents types de terrains rencontrés par Dragonfly. Lors de son périple (sur plusieurs années) de la région des dunes équatoriales au cratère d'impact Selk, (figure 1) la mission va explorer une zone dans laquelle de l'eau liquide (mélangée à de la matière organique) a probablement subsisté pendant plusieurs centaines voire milliers d'années.


Figure 1 : vue d'artiste du Drône Dragonfly: Crédits : Johns Hopkins University

Le LESIA, impliqué techniquement et scientifiquement dans la mise au point de cet instrument (https://lesia.obspm.fr/Le-LESIA-dans-la-mission-Dragonfly.html), a notamment la charge de développer son architecture mécanique et thermique ainsi que d'en assurer la fabrication et l'assemblage. Ces activités sont menées à bien par le Groupe d'Etudes-Fabrications (GEFL) et le service d'intégration ou MESPAL de notre laboratoire (Moyens d'essais, salles propres, AIT/AIV du LESIA).

En collaboration avec les équipes du LATMOS, un premier modèle d'ingénierie a été fabriqué et « qualifié en environnement mécanique » (figure 2) avec succès. De quoi s'agit-il ? Les tests en environnement mécanique simulent, entre autres, les phases de décollage ainsi que les chocs induits par la séparation du module de descente et la coiffe du lanceur.


Figure 2 : DraMS-GC en cours de qualification mécanique: Crédits : LESIA/Observatoire de Paris-PSL

Cette phase est à présent achevée. DraMS est donc actuellement en cours de qualification thermique à la Plateforme Intégration et de test (PIT) à l'UVSQ (Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines). Puis ce modèle sera livré au Goddard Space Flight Center de la NASA en 2024 pour des tests fonctionnels en environnement.


Tests de qualification mécaniques de l'instrument DraMS‑GC.: Essai quasi-statique type sine burst de 5 cycles à 50Hz d'amplitude 37,5 g.
Crédits : LESIA/Observatoire de Paris-PSL

Benjamin Charnay reçoit le prix jeune chercheur de la Société française d'exobiologie

Luc Heintze — 2023-10-19T16:05:01Z

Benjamin Charnay est astrophysicien au LESIA où il occupe les fonctions de chargé de recherche CNRS depuis 2018. Il est spécialiste de la modélisation des atmosphères planétaires avec, comme principaux sujets l'étude des exoplanètes, de la Terre primitive et de Titan. Ce prix vient couronner ses travaux dont l'objectif est d'analyser le fonctionnement des atmosphères planétaires pour comprendre leur dynamique, leur physique et leur chimie et l'appliquer aux exoplanètes.


Benjamin Charnay: DR

Benjamin a fait sa thèse au Laboratoire de météorologie dynamique à Paris. Il a complété son parcours par un postdoc à Seattle, aux États-Unis, à l'Université de Washington, grâce à une bourse NASA. Il a ensuite effectué un second postdoc, au LESIA cette fois. Depuis son arrivée dans notre laboratoire, il a rejoint le pôle planétologie et anime l'équipe transverse exoplanètes. Grâce au soutien de nombreuses collaborations locales et internationales, il y poursuit ses recherches au sein de l'équipe transverse exoplanètes dont il est maintenant le responsable.

Ses objectifs sont la compréhension générale des atmosphères planétaires et de leur évolution, le tout en lien avec les recherches sur l'apparition de la vie sur Terre et sa recherche ailleurs dans l'Univers. Ses centres d'intérêt sont la physique, la chimie et la dynamique des atmosphères planétaires. Ses sujets principaux : les exoplanètes, la Terre primitive et Titan. L'idée première est de modéliser le climat et les cycles biogéochimiques de la Terre primitive. Ainsi, il développe des modèles radiatifs convectifs 1D pour les exoplanètes et l'étude de leur atmosphère. Le but est d'interpréter les observations d'atmosphères d'exoplanètes issues des instruments VLT-SPHERE, VLT-GRAVITY, Hubble Space Telescope et James Webb Space Telescope.

Il a également développé le modèle 3D « Generic Planetary Climate Model » appliqué à la Terre primitive et à Titan. Enfin, il a aussi intégré des modèles de photochimie pour comprendre les processus qui contrôlent l'habitabilité des planètes et les conséquences d'une biosphère sur l'atmosphère.

Un début de carrière prometteur que vient souligner l'attribution de ce prix !

Le télescope spatial James Webb découvre un nouveau phénomène dans l'atmosphère de Jupiter

Luc Heintze — 2023-10-19T15:43:54Z

Jupiter possède des caractéristiques atmosphériques parmi les plus remarquables de notre système solaire. La Grande Tache rouge de la planète, suffisamment grande pour englober la Terre, est presque aussi connue que certaines rivières et montagnes de notre propre planète. Cependant, tout comme la Terre, Jupiter est en constante évolution et il nous reste encore beaucoup à apprendre sur cette planète. Le télescope spatial James Webb est en train de percer certains de ces mystères, révélant de nouvelles caractéristiques de Jupiter que nous n'avions jamais vues auparavant, notamment un courant-jet à grande vitesse au-dessus de l'équateur de la planète. Bien que le courant-jet ne soit pas aussi apparent ou spectaculaire que certaines autres structures de Jupiter, il fournit aux chercheurs des informations uniques sur la façon dont les couches de l'atmosphère de la planète interagissent les unes avec les autres, et sur la façon dont le télescope Webb contribuera à ces recherches à l'avenir.

Une découverte tout à fait inattendue

Le télescope spatial James Webb (JWST) a découvert un nouveau phénomène dans l'atmosphère de Jupiter. Un courant-jet très rapide qui s'étend sur plus de 4500 km de large, se situe au nord de l'équateur de Jupiter, au-dessus des principales couches nuageuses. La découverte de ce jet permet de mieux comprendre comment les couches de l'atmosphère de Jupiter, très turbulentes, interagissent les unes avec les autres. Le JWST offre des capacités uniques pour suivre ces structures dans la circulation atmosphérique de Jupiter.

« C'est quelque chose qui nous a totalement surpris », a déclaré Ricardo Hueso, de l'Université du Pays basque à Bilbao (Espagne), auteur principal de l'article décrivant les résultats. « Ce que nous avons toujours vu comme des brumes diffuses dans l'atmosphère de Jupiter apparaît maintenant comme une structure très contrastée que nous pouvons suivre en même temps que la rotation rapide de la planète ».

Une analyse fine des données de NIRCam pour en comprendre les fondements

L'équipe de recherche a analysé des données de la caméra NIRCam (Near-Infrared Camera) du JWST prises en juillet 2022. Le programme, dirigé conjointement par Imke de Pater de l'Université de Californie à Berkeley et Thierry Fouchet de l'Observatoire de Paris-PSL, a été conçu pour prendre des images de Jupiter à 10 heures d'intervalle, soit un jour (une rotation) de Jupiter, dans quatre filtres différents, chacun étant capable de détecter les changements de la structure nuageuse à différentes altitudes dans l'atmosphère de la planète.

« Même si plusieurs télescopes terrestres, des missions spatiales comme Juno et Cassini, et le télescope spatial Hubble observent depuis longtemps l'évolution du système jovien, JWST a déjà prouvé qu'il est capable aussi d'apporter des données uniques et inédites sur l'atmosphère de Jupiter, ses anneaux et ses satellites » note Imke de Pater.

Si Jupiter est très différente de la Terre sur de nombreux points – Jupiter est une planète géante gazeuse et la Terre une planète rocheuse – les deux planètes possèdent des atmosphères stratifiées verticalement. Les images dans le domaine visible, ultraviolet et infrarouge prises par ces autres observatoires ne détectent que les couches nuageuses profondes de l'atmosphère jovienne, constituées de glace d'eau et d'ammoniac, dans lesquelles se produisent de gigantesques tempêtes

En revanche, grâce à sa sensibilité hors du commun, les observations de JWST dans le proche infrarouge sont sensibles aux couches atmosphériques situées à haute altitude, à environ 25-50 kilomètres au-dessus du sommet des nuages de Jupiter. En imagerie proche infrarouge, les brumes de haute altitude apparaissent généralement floues, et plus brillantes dans la région équatoriale. Avec JWST, des détails plus fins sont résolus à l'intérieur de cette bande de brume équatoriale.

« En suivant les structures de la brume entre deux rotations de Jupiter, nous pouvons en déduire la vitesse des vents dans l'atmosphère de la planète. Si vous observez un nuage au-dessus de Brest un jour et au-dessus de Strasbourg le lendemain, vous savez que les vents l'ont transporté sur environ 1000 km en 24h, et donc vous pouvez en déduire la vitesse des vents », explique Thierry Fouchet de l'Observatoire de Paris-PSL.

Une meilleure compréhension de l'atmosphère équatoriale de Jupiter

Le jet récemment découvert se déplace à une vitesse d'environ 450 km/h, soit deux fois la vitesse des vents d'un ouragan de catégorie 5 sur Terre. Il est situé à environ 40 kilomètres d'altitude, dans la basse stratosphère de Jupiter, juste au-dessus des brumes de la troposphère, près de la limite entre les deux couches.

En comparant les vents observés par JWST à haute altitude à ceux observés par Hubble dans les couches plus profondes, l'équipe a pu mesurer l'évolution de la vitesse des vents avec l'altitude, encore appelée gradient ou cisaillement.

Si l'extrême résolution spatiale de JWST et sa couverture en longueur d'onde ont permis de détecter les caractéristiques fines de la brume utilisées pour mesurer la vitesse du jet, les observations complémentaires de Hubble effectuées un jour après celles de JWST ont également été cruciales pour déterminer l'état de base de l'atmosphère équatoriale de Jupiter et observer le développement de tempêtes convectives dans la région équatoriale de Jupiter qui ne sont pas liées au jet.

« Nous savions que les différentes longueurs d'onde de JWST et de Hubble révéleraient la structure tridimensionnelle des nuages d'orage, mais nous avons également pu utiliser la synchronisation des données pour voir à quelle vitesse les orages se développent », a ajouté Michael Wong, membre de l'équipe.

De nouvelles découvertes à venir grâce au JWST

Les chercheurs attendent avec impatience d'autres observations de Jupiter avec JWST pour déterminer si la vitesse et l'altitude du jet changent avec le temps.

« Jupiter présente un schéma complexe mais périodique des vents et des températures dans sa stratosphère équatoriale, bien au-dessus des nuages et des brumes observées par JWST », a expliqué Leigh Fletcher, membre de l'équipe, de l'université de Leicester au Royaume-Uni. « Si la force de ce nouveau jet est liée à ce modèle stratosphérique oscillant, nous pouvons nous attendre à ce que le jet varie considérablement au cours des 2 à 4 prochaines années - il sera vraiment passionnant de tester cette théorie dans les années à venir ».

« Il est étonnant qu'après des années de suivi des nuages et des vents de Jupiter à partir de nombreux observatoires, ce nouveau jet ait pu rester caché jusqu'à ce que ces nouvelles images NIRCam soient prises en 2022 », a poursuivi M. Fletcher.

Ces résultats ont été récemment publiés dans la revue Nature Astronomy.

Le télescope spatial James Webb est le premier observatoire en sciences spatiales au monde. JWST résout les mystères de notre système solaire, regarde vers des mondes lointains autour d'autres étoiles, et sonde les structures mystérieuses et les origines de notre univers et la place que nous y occupons. JWST est un programme international dirigé par la NASA et ses partenaires, l'ESA (Agence spatiale européenne) et l'Agence spatiale canadienne.

En complément, lien vers le site de l'ESA :

https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Webb/Webb_pinpoints_a_high-speed_jet_stream_on_Jupiter

Images en fausses couleurs de Jupiter prises par la caméra NIRCam et leurs paragraphes explicatifs


Image de Jupiter en fausses couleurs: Crédits : NASA, ESA, CSA, STScI, Ricardo Hueso (UPV), Imke de Pater (UC Berkeley), Thierry Fouchet (Observatoire de Paris-PSL), Leigh Fletcher (Université de Leicester), Michael H. Wong (UC Berkeley), Joseph DePasquale

Cette image de Jupiter prise par la caméra NIRCam (Near-Infrared Camera) du télescope spatial James Webb montre des détails étonnants de la majestueuse planète en infrarouge. Sur cette image en fausses couleurs, la lumière solaire réfléchie par les nuages apparaît blanche. Ainsi, la luminosité indique une altitude des nuages élevée, le sombre des couches nuageuses profondes. Les nombreuses "taches" et "traînées" d'un blanc éclatant sont probablement des sommets de nuages de très haute altitude résultant d'orages convectifs. En revanche, les bandes sombres situées au nord de la région équatoriale présentent une faible couverture nuageuse. Des aurores, qui apparaissent en rouge sur cette image, s'étendent à des altitudes plus élevées au-dessus des pôles nord et sud de la planète. Ces aurores sont à l'origine de brumes de très hautes altitudes qui apparaissent en vert dans les régions polaires.


Le jet stream équatorial de Jupiter vu par NIRCam: Crédits : NASA, ESA, CSA, STScI, Ricardo Hueso (UPV), Imke de Pater (UC Berkeley), Thierry Fouchet (Observatoire de Paris-PSL), Leigh Fletcher (Université de Leicester), Michael H. Wong (UC Berkeley), Joseph DePasquale (STScI)

Les images de Jupiter prises par la caméra NIRCam (Near-Infrared Camera) du télescope spatial James Webb de la NASA ont permis aux chercheurs de découvrir un courant-jet à grande vitesse à l'équateur de la planète, au-dessus des principaux sommets nuageux. À une longueur d'onde de 2,12 microns, qui sonde des altitudes d'environ 20-35 kilomètres au-dessus du sommet des nuages de Jupiter, les chercheurs ont repéré plusieurs cisaillements du vent, c'est-à-dire des zones où la vitesse du vent varie en fonction de la hauteur ou de la distance, permettant de suivre le jet. Cette image met en évidence plusieurs caractéristiques autour de la zone équatoriale de Jupiter qui, au cours d'une rotation de la planète (10 heures), sont très clairement perturbées par le mouvement du courant-jet.


Les vents sur Jupiter: Crédits : NASA, ESA, CSA, STScI, Ricardo Hueso (UPV), Imke de Pater (UC Berkeley), Thierry Fouchet (Observatoire de Paris-PSL), Leigh Fletcher (Université de Leicester), Michael H. Wong (UC Berkeley)

Le courant-jet découvert par le télescope spatial James Webb de la NASA se déplace au-dessus de l'équateur de Jupiter, au-dessus des principaux ponts nuageux. Le jet se déplace à 515 kilomètres par heure. Il est situé à environ 40 kilomètres d'altitude, dans la basse stratosphère de Jupiter, juste au-dessus des nuages troposphériques, à la limite entre les couches. Jupiter possède une atmosphère à plusieurs couches, et cette illustration montre comment Webb est capable de collecter des informations sur des couches d'altitude plus élevées qu'auparavant. Les scientifiques ont pu utiliser Webb pour identifier la vitesse des vents à différentes couches de l'atmosphère de Jupiter afin d'isoler le jet à grande vitesse. Les observations de Jupiter ont été effectuées à 10 heures d'intervalle, soit un jour de Jupiter, dans trois filtres différents, notés ici, chacun étant capable de détecter des changements dans de petites caractéristiques à différentes altitudes de l'atmosphère de Jupiter.

"Dernières" nouvelles de PicSat

2023-10-06T10:16:42Z

On l'avait cru perdu peu de temps après son lancement en 2018… Puis un signe de vie avait redonné de l'espoir en 2022. Le nanosatellite PicSat (P.I. : Sylvestre Lacour) financé par le programme European Research Council, s'est finalement désintégré dans la nuit du 2 octobre 2023 dans l'atmosphère terrestre, après une petite chute de 150 km !


Variations de l'altitude de PicSat au cours des derniers jours avant sa désintégration

Conçu par une équipe du LESIA pour tenter d'observer le transit de la planète β Pictoris b devant son étoile, PicSat n'avait pas pu accomplir sa mission suite à une défaillance du système de pointage et une perte de signal. Le suivi photométrique aurait aussi permis de mieux étudier les chutes d'exocomètes sur l'étoile.


Intégration du nanosatellite PicSat au LESIA: Photo Maarten Roos - LESIA/Observatoire de Paris-PSL

Cependant, le projet PicSat a contribué à faire émerger une dynamique au sein du LESIA et de l'Observatoire de Paris-PSL pour s'intéresser à la question de l'application des nanosatellites pour l'astronomie spatiale, avec la création du campus spatial Census de l'Université PSL.

Plus d'informations sur PicSat et Census

PicSat au LESIA

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Sursauts radio : de Jupiter aux étoiles

2023-10-03T14:05:45Z

La détection de sursauts radio est un moyen puissant d'étudier à distance les processus d'accélération des électrons dans les plasmas astrophysiques. On sait par exemple depuis 50 ans que de tels sursauts sont produits par l'interaction entre la magnétosphère de Jupiter et son satellite Io. Les résultats de deux articles récents impliquant une doctorante du LESIA et son équipe illustrent comment les études des émissions radio de Jupiter peuvent se transposer aux systèmes stellaires.

Grâce à un nouvel algorithme informatique appliqué aux observations du « Réseau Décamétrique de Nançay » (un radiotélescope sur très basses fréquences), les chercheurs ont pu détecter des impulsions radio produites en association avec les aurores polaires de Jupiter et l'interaction du satellite Ganymède avec le champ magnétique de Jupiter, donc similaires aux sursauts radio produits par Jupiter et Io. On pense que ces impulsions radio révèlent la manière dont les électrons qui les produisent sont accélérés.

En parallèle, des observations récentes du radiotélescope géant chinois FAST ont permis de découvrir des impulsions radio similaires provenant de l'étoile éruptive AD Leonis, 100 à 1000 fois plus intenses que celles de Jupiter. On peut comprendre et expliquer ces phénomènes, qui semblent assez universels, en s'inspirant du modèle théorique construit pour les impulsions radio de Jupiter, dans lequel le mouvement de Io, de Ganymède ou du plasma magnétosphérique à travers le champ magnétique de Jupiter fait intervenir des oscillations magnétiques appelées « ondes d'Alfvén ».

Ces deux articles sont un premier exemple de la manière dont les mécanismes et scenarii physiques élaborés pour un objet du Système solaire peuvent être extrapolés et transposés à des sources astrophysiques plus lointaines et inaccessibles.

Légende de l'illustration :
(a) Le radiotélescope décamétrique de Nançay.
(b) Les impulsions radio de Jupiter, qui glissent des hautes vers les basses fréquences
(c) Jupiter, son champ magnétique, ses aurores, le satellite Ganymède : la flèche jaune représente le mouvement des électrons accélérés qui produisent les impulsions radio.
(d) Le radiotélescope chinois FAST.
(e) Les impulsions radio de l'étoile AD Leonis, qui glissent des basses vers les hautes fréquences
(f) Une vue d'artiste d'AD Leonis, son champ magnétique, ses aurores : la flèche jaune représente le mouvement des électrons accélérés qui produisent les impulsions radio.

Sources et copyrights :
(a) Réseau Décamétrique de Nançay (NDA, © ORN).
(b) Observation NDA/Juno-N fournie par L. Lamy.
(c) Schéma adapté de la Fig. 3 de Szalay et al., Geophys. Res. Lett. 49, e2022GL098111, 2022, https://doi.org/10.1029/2022GL098111.
(d) https://apod.nasa.gov/apod/image/1609/DaiFAST_1500.jpg.
(e) Figure adaptée de la Fig. 1 de [2].
(f) Vue d'artiste d'une étoile naine (© ASTRON/Danielle Futselaar).

Références

[1] Emilie Mauduit, Philippe Zarka, Laurent Lamy, & Sébastien Hess, Drifting discrete Jovian radio bursts reveal acceleration processes related to Ganymede and the main aurora, Nature Communications, sous presse.

[2] Jiale Zhang, Hui Tian, Philippe Zarka, Corentin Louis, Hongpeng Lu, Dongyang Gao, Xiaohui Sun, Sijie Yu, Bin Chen, Xin Cheng, & Ke Wang, Fine structures of radio bursts from flare star AD Leo with FAST observations, The Astrophysical Journal, 953 :65, 2023. https://doi.org/10.3847/1538-4357/acdb77

Emilie Mauduit, Philippe Zarka, Laurent Lamy, Corentin Louis sont membres du LESIA.