Simulations numériques d’une magnétosphère de type Uranus à l’équinoxe

lundi 27 janvier 2020

La magnétosphère d’Uranus est particulière en raison de la forte inclinaison entre son axe de rotation et son axe magnétique (60°). Une nouvelle étude menée par L. Griton et F. Pantellini montre que le champ magnétique s’enroule et s’étire sous l’effet de la rotation, et plie sous l’effet du vent solaire. Cette étude est mise en avant dans les faits saillants de la revue Astronomy & Astrophysics en janvier 2020.

Au sein du Système solaire toutes les planètes, à l’exception de Vénus et Mars, ont un champ magnétique intrinsèque suffisamment intense pour interagir avec le vent solaire et former une magnétosphère complexe. La structure de cette dernière dépend grandement de la vitesse de rotation de la planète ainsi que de l’orientation de ses deux axes remarquables : l’axe magnétique et l’axe de rotation.

Uranus est la seule planète du Système solaire qui réunit les trois caractéristiques suivantes :

  1. c’est un rotateur rapide,
  2. son axe de rotation est quasi-parallèle au plan de l’écliptique (le plan dans lequel s’écoule le vent solaire)
  3. son axe magnétique est quasi-perpendiculaire à l’axe de rotation.

Le grand angle entre axe magnétique et axe de rotation a pour conséquence une magnétosphère particulièrement dynamique, qui varie considérablement au cours d’une journée planétaire, mais également d’une saison à l’autre. Au solstice, l’axe de rotation de la planète est dirigée vers le Soleil, et fait donc face au vent, alors qu’à l’équinoxe l’axe de rotation est orienté perpendiculairement au vent.

Orientation de l'axe magnétique et de l'axe de rotation de la planète (...)
Orientation de l’axe magnétique et de l’axe de rotation de la planète utilisés dans les simulations

Le vent solaire vient de la gauche et souffle perpendiculairement à l’axe de rotation de la planète. Au cours d’une journée, l’angle entre l’axe magnétique (en rouge) et la direction du vent solaire parcourt tous les angles de 0° à 360° (extrait et adapté de Griton & Pantellini 2020).

Dans cette étude, la configuration en période d’équinoxe est explorée à l’aide de simulations magnétohydrodynamiques (MHD). Afin d’en faciliter l’interprétation, l’axe de rotation a été placé dans le plan de l’écliptique et son angle par rapport à l’axe magnétique a été augmenté de 60° à 90°, comme illustré dans la figure ci-dessus.

Une illustration qualitative de la structure que forment les lignes de champ magnétique d’Uranus en période d’équinoxe est montrée dans la figure ci-dessous pour le cas d’un vent ne transportant aucun champ magnétique. Un seul hémisphère est montré car, en raison de la symétrie de la configuration choisie, chaque hémisphère est l’image miroir de l’autre. La simulation montre que les lignes de champ magnétique planétaire s’enroulent et s’étirent sous l’effet de la rotation, et plient sous l’effet de la pression exercée par le vent solaire.

Une des principales conclusions de l’article est que les lignes de champ magnétique de la planète qui forment la structure magnétique complexe montrée dans la figure ci-dessous, sont accélérées jusqu’à atteindre la vitesse du vent. La thèse défendue dans l’étude est que l’accélération dans le cas d’un rotateur rapide comme Uranus se produit principalement dans l’immédiat voisinage de la planète. Cette distance est de l’ordre de celle parcourue par une onde d’Alfvén au cours d’une rotation planétaire. L’accélération est dans ce cas le résultat de l’effet combiné de la force centrifuge liée à la rotation planétaire, et de la force électromagnétique liée à la compression et à la déformation du champ magnétique. Le vent contribue donc à courber les lignes de champ magnétique dans la direction opposée au Soleil, mais ne participe que très marginalement à leur accélération.

Enroulement des lignes de champ magnétique dans la magnétosphère d'une planète (...)
Enroulement des lignes de champ magnétique dans la magnétosphère d’une planète en rotation rapide de type Uranus en période d’équinoxe

Les lignes bleues et rouges sont connectées aux pôles magnétiques opposés de la planète. Elles sont enroulées par la rotation planétaire. En noir les lignes d’écoulement du plasma du vent solaire. L’effet du vent est de replier les lignes de champ magnétique dans la direction opposée au Soleil (extrait et adapté de Griton & Pantellini 2020).

L’article montre l’intérêt des simulations magnétohydrodynamiques appliquées aux magnétosphères planétaires et exoplanétaires, notamment à celles des planètes présentant un grand angle entre l’axe de rotation et l’axe magnétique, telles Uranus et Neptune.

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