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Mesurer la déformation de l’anneau de plasma autour de Jupiter

Io, satellite naturel de Jupiter, est l’objet le plus volcanique du Système solaire. Son intense activité libère d’importantes quantités de gaz qui s’échappent dans l’espace. Ces gaz ionisés forment, le long de son orbite, un anneau dense de plasma appelé « tore de plasma ».

Ce tore joue un rôle central dans de nombreux processus physiques au sein de l’environnement magnétique de Jupiter, appelé magnétosphère. Il influence également l’environnement des lunes voisines, notamment Europe et Ganymède. Comprendre sa structure spatiale constitue donc un enjeu majeur pour l’étude du système jovien dans sa globalité.

En raison de sa rotation rapide, le tore devrait théoriquement présenter une forme circulaire. Toutefois, la présence d’un champ électrique dans l’environnement proche de Jupiter exerce des forces qui le déforment. Jusqu’à présent, les observations réalisées depuis la Terre avaient permis d’en estimer l’amplitude, sans pouvoir déterminer avec certitude la direction réelle de cette distorsion, la géométrie Terre-Jupiter ne donnant accès qu’à une portion de l’anneau.

Une approche inédite grâce à la sonde Juno

Afin de lever ces limitations, l’équipe a exploité des images ultraviolettes acquises entre 2016 et 2022 par l’instrument UVS de la mission Juno, en orbite autour de Jupiter (voir Figure 2).

Les chercheurs ont mesuré avec précision une émission aurorale de Jupiter spécifique, directement liée à l’interaction entre Io et la géante de gas. Cette « empreinte aurorale » est produite lorsque les ondes électromagnétiques, générées par l’interaction entre Io et le tore de plasma, se propagent le long des lignes de champ magnétique de Jupiter, provoquant des signatures lumineuses dans son atmosphère.

La position de cette empreinte dépend des caractéristiques physiques de l’anneau de plasma. Les scientifiques ont donc simulé numériquement ces signatures à partir des données de Juno afin de déterminer la structure du tore la plus compatible avec les observations.

Une déformation caractérisée pour la première fois

Grâce à la trajectoire orbitale de Juno, les observations ont couvert l’anneau de plasma sur 360°, permettant de déterminer sans ambiguïté l’orientation réelle de la distorsion, ce qui était impossible depuis la Terre. Les résultats confirment que le champ électrique responsable de la déformation agit dans cette même direction, et suggère que celui-ci varie en fonction du temps.

Le tore de plasma influence de nombreux phénomènes physiques dans l’environnement jovien. Disposer d’une méthode fiable pour mesurer sa structure constitue donc une avancée scientifique majeure. La technique développée permet désormais de caractériser finement les interactions entre plasma et satellites.

Au-delà de Io, cette approche pourra être appliquée à l’étude des environnements plasma d’Europe et de Ganymède, afin de mieux comprendre comment leurs atmosphères ténues et leurs surfaces glacées sont façonnées par ces interactions électromagnétiques.

Le croisement de ces résultats avec les observations du satellite japonais HISAKI devrait, à terme, révéler les variations dynamiques détaillées du tore de plasma. Il permettra également de préparer la phase d’exploitation scientifique de la mission européenne JUICE (Jupiter Icy Moons Explorer), dont l’arrivée dans le système jovien est prévue en 2031.