LESIA - Observatoire de Paris

Premières images des aurores d’Uranus

samedi 21 avril 2012

On ne les avait plus jamais réobservées depuis leur découverte, en janvier 1986, par la sonde américaine Voyager 2 : les aurores polaires d’Uranus viennent d’être photographiées - pour la première fois - depuis la Terre par le télescope NASA/ESA Hubble. La performance apporte de nouvelles informations sur l’environnement magnétique atypique et mal connu de la lointaine planète. Les résultats obtenus par une équipe internationale qui inclut cinq chercheurs du LESIA, avec le soutien du CNES, sont parus le 14 avril 2012 dans la revue Geophysical Research Letters.

Contexte

Parmi les magnétosphères planétaires connues, ces cavités sculptées dans le vent solaire par les planètes magnétisées (notamment la Terre et les planètes géantes), le cas exotique d’Uranus a été très peu étudié, en raison de l’éloignement de la planète (distante du soleil de 19.2 UA, soit presque 3 milliards de km). Sa magnétosphère n’a pu être analysée qu’une seule fois, lors de sa découverte par la sonde Voyager 2, qui survola la planète en janvier 1986, neuf ans après son lancement depuis la Terre. A cette occasion, Voyager 2 réalisa une découverte inattendue : contrairement aux autres planètes, le champ magnétique d’Uranus est très incliné ( 60°) par rapport à son axe de rotation, qui pointe quasiment dans le plan de l’écliptique. Ceci produit une magnétosphère asymétrique unique dans le système solaire, et dont la configuration varie énormément pendant une rotation planétaire ( 17h) et au cours de la révolution d’Uranus autour du soleil (86 ans). Alors que Voyager 2 la survola au moment du solstice, Uranus est aujourd’hui en période d’équinoxe, une situation radicalement différente et inconnue.

Les aurores planétaires forment le seul moyen d’étudier une magnétosphère à distance. Une magnétosphère agit en effet comme un gigantesque accélérateur de particules, qui sont guidées le long des lignes de champ magnétique jusque dans les régions aurorales (autour des pôles magnétiques), où l’énergie injectée est dissipée sous la forme de rayonnements lumineux intenses. Dans les années 1980, les spectromètres UV des sondes Voyager 1 et 2 avaient identifié des aurores autour des 4 planètes géantes (gazeuses et glacées), dont Uranus. Depuis les années 1990, le télescope spatial Hubble a pris le relais avec des milliers d’images des aurores intenses de Jupiter et Saturne, mais échoua à re-détecter celles d’Uranus (deux tentatives en 1998 et 2005). C’est une tâche plus ardue car, comparée à Saturne, Uranus est deux fois plus petite, deux fois plus loin, et ses aurores sont deux fois moins lumineuses. Hubble reste malgré tout le télescope UV le plus puissant en activité, et nous avons lancé une troisième tentative en 2011.

Résultats

Configuration planétaire fin 2011.
Configuration planétaire fin 2011.

Cependant, au lieu d’observer aléatoirement, nous avons choisi d’observer Uranus pendant le passage de chocs dans le vent solaire, connus pour "activer" les aurores planétaires à leur passage. C’est cette propriété qui a donné naissance à la météorologie de l’espace. De plus, en choisissant d’observer fin 2011, nous avons profité d’un quasi alignement planétaire de la Terre, Jupiter et Uranus, permettant d’étudier la réponse aurorale de ces trois planètes au passage des mêmes chocs interplanétaires (Figure 1). Début Septembre 2011, le soleil émettait une série d’éjections de masse coronale, se propageant à environ 500km/s. Deux jours après, elles arrivaient sur Terre, deux semaines plus tard sur Jupiter, et après deux mois de trajet, sur Uranus où les observations Hubble étaient déclenchées en Novembre. Le résultat de ces cette campagne d’observations multi-spectrale multi-planète est présenté dans l’article GRL sous presse.

Outre la réponse des aurores terrestres et joviennes, cette technique a permis de re-détecter positivement les aurores d’Uranus, d’en obtenir les premières images (Figures 2 et 3) et d’amener les premières informations sur sa magnétosphère depuis un quart de siècle, qui plus est en période d’équinoxe. De plus, nous avons confirmé ces observations en ré-analysant les précédentes observations Hubble de 1998, où des signatures aurorales étaient déjà cachées. Les caractéristiques de ces émissions sont les suivantes : elles sont faibles et transitoires (variables sur quelques minutes) et diffèrent des autres aurores planétaires bien connues. Leur morphologie (points chauds ou anneaux du côté jour en 2011 et 1998) contraste avec celle observée par Voyager 2 (émission continue du côté nuit, analogue à celle de la Terre) et indique des variations de la configuration magnétique au cours d’un quart d’une révolution uranienne (passage solstice à équinoxe).

Aurores d'Uranus observées en 2011 (a,b) et en 1998 (c) et configuration (...)
Aurores d’Uranus observées en 2011 (a,b) et en 1998 (c) et configuration planétaire associée.

Images composites des aurores d'Uranus de Novembre 2011
Images composites des aurores d’Uranus de Novembre 2011

Perspectives

Ces résultats ouvrent un champ d’étude nouveau et très riche. A l’heure où le système d’Uranus fait l’objet d’un intérêt renouvelé (4 projets de mission orbitales ont été soumis récemment à l’ESA et la NASA). Mais en l’absence de mission sélectionnée, et sans même compté le temps de trajet pour atteindre la planète (estimé à 12-15 ans), les observations à distance de télescopes comme Hubble restent l’unique moyen d’étudier cette magnétosphère.

Collaboration

Les chercheurs ayant contribué à cette étude à l’Observatoire de Paris sont : Laurent Lamy, Renée Prangé, Philippe Zarka, Baptiste Cecconi et Jean Aboudarham du Laboratoire d’Études Spatiales et d’Instrumentation en Astrophysique LESIA. Les travaux ont également impliqué Nicolas André de l’Institut de Recherche Astrophysique et de Planétologie IRAP de Toulouse et Mathieu Barthélémy de l’Institut de Planétologie et d’Astrophysique de Grenoble IPAG, ainsi que les partenaires de l’Université du Michigan, l’Université de Boston, l’Institut de recherche du Sud-Ouest, l’Université d’Arizona (États-Unis), l’University et l’Imperial College de Londres, l’Université de Leicester (Royaume-Uni). En France, l’étude a bénéficié du soutien du CNES.

Référence

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