Univers

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.

Cette supernova est une explosion stellaire superlumineuse, située à 10 milliards d’années-lumière, et bien plus brillante que les supernovas typiques. Elle présente également une autre particularité : la même supernova apparaît cinq fois dans le ciel nocturne, tel un feu d’artifice cosmique, en raison d’un phénomène connu sous le nom de lentille gravitationnelle.

Deux galaxies situées au premier plan courbent la lumière de la supernova lors de son trajet vers la Terre, la contraignant à emprunter des trajectoires différentes. Ces trajectoires ayant des longueurs légèrement différentes, la lumière de chaque copie de la supernova arrive à des moments différents. En mesurant les décalages temporels entre ces copies, les chercheurs peuvent déterminer le taux actuel d’expansion de l’Univers, connu sous le nom de constante de Hubble.

« Détecter un événement aussi rarissime est extrêmement difficile », explique Raoul Cañameras, chercheur postdoctoral au LAM, qui a coordonné les efforts de l’équipe pour identifier les lentilles gravitationnelles. « Une approche particulièrement efficace consiste à identifier d’abord les lentilles gravitationnelles statiques — c’est à dire des alignements de deux galaxies sur la même ligne de visée produisant des images multiples, des arcs, voire des anneaux complets — puis à attendre l’explosion d’une supernova dans la galaxie d’arrière-plan, plus éloignée. »

Pour atteindre cet objectif, l’équipe a analysé plusieurs milliards d’images d’objets astronomiques à l’aide d’algorithmes d’apprentissage profond basés sur des réseaux neuronaux. « Six ans après la fin de ce travail de classification, une supernova a finalement été détectée à l’emplacement d’un arc gravitationnel répertorié dans notre catalogue. Nous l’avons surnommée SN Winny, en référence à sa désignation officielle, SN 2025wny », ajoute Raoul Cañameras.

^{Animation illustrant l’effet de lentille gravitationnelle exercé par la paire de galaxies au premier plan sur la galaxie hôte de SN Winny. La galaxie hôte est déformée en plusieurs images, qui sont étirées et amplifiées pour former un anneau bleuâtre autour de la lentille. L’explosion de SN Winny elle-même est également simulée, ainsi que l’arrivée sur Terre différée de ses cinq copies. Finalement, l’animation laisse place à une observation réelle de SN Winny, capturée par le Large Binocular Telescope en Arizona / Crédit : Elias Mamuzic / MPA / TUM/}

Image haute résolution d’une supernova singulière

L’analyse de ce type de supernovas amplifiées par lentille gravitationnelle dépend de la capacité à déterminer avec exactitude la masse des galaxies faisant office de lentille. Pour mesurer ces masses, l’équipe a obtenu des images avec le Large Binocular Telescope (LBT) en Arizona, aux États-Unis, en utilisant ses deux miroirs de 8,4 mètres de diamètre ainsi qu’un système d’optique adaptative corrigeant le flou atmosphérique. Le résultat est la première image couleur haute résolution de ce système publiée à ce jour.

Ces observations révèlent la présence de deux galaxies lentilles au premier plan, au centre, et de cinq copies bleutées de la supernova, évoquant l’explosion d’un feu d’artifice. Ce phénomène est assez inhabituel, car les lentilles gravitationnelles d’échelle galactique ne produisent généralement que deux ou quatre copies. À partir des positions de ces cinq copies, Allan Schweinfurth et Leon Ecker, jeunes chercheurs au sein de l’équipe, ont construit le premier modèle de distribution de masse des lentilles.

« Jusqu’à présent, la plupart des supernovas amplifiées par lentille gravitationnelle se trouvaient derrière des amas de galaxies massifs, dont les distributions de masse sont complexes et difficiles à modéliser », explique Allan Schweinfurth. « SN Winny, en revanche, est amplifiée par seulement deux galaxies individuelles qui ont des distributions de lumière et de masse régulières. La simplicité globale du système offre une opportunité passionnante de mesurer le taux d’expansion de l’Univers avec une grande précision. » 

Deux méthodes, deux résultats très différents

Jusqu’à présent, les scientifiques se sont principalement appuyés sur deux méthodes pour mesurer la constante de Hubble, mais ces méthodes donnent des résultats contradictoires. Ce paradoxe est connu sous le nom de tension de Hubble.

La première est la méthode locale, qui mesure les distances aux galaxies étape par étape, un peu comme on gravit une échelle, où chaque barreau dépend du précédent; d’où son nom d’« échelle des distances cosmiques ». Cette méthode consiste à utiliser des objets dont la luminosité est bien connue pour estimer les distances, puis à comparer ces distances à la vitesse d’éloignement des galaxies. Comme cette méthode comporte de nombreuses étapes de calibration, même de petites erreurs peuvent s’accumuler et influencer le résultat final.

La seconde méthode remonte beaucoup plus loin dans le temps. Elle consiste à étudier le fond diffus cosmologique, la faible lueur résiduelle du Big Bang, puis à utiliser des modèles de l’Univers primordial pour calculer le taux d’expansion actuel. Cette approche est très précise, mais elle repose sur des hypothèses concernant l’évolution de l’Univers, et ces hypothèses font encore l’objet de débats.

Une nouvelle approche, en une seule étape

Une troisième méthode, indépendante, entre désormais en jeu : l’utilisation d’une supernova amplifiée par lentille gravitationnelle. Sherry Suyu, professeure associée de cosmologie observationnelle à la Technical University of Munich (TUM) et chercheuse au Max Planck Institute for Astrophysics, explique qu’en mesurant les décalages temporels entre les multiples copies de la supernova et en connaissant la distribution de masse des galaxies lentilles, il est possible de calculer directement la constante de Hubble.

« Contrairement à l’échelle des distances cosmiques, il s’agit d’une méthode en une seule étape, avec des sources d’incertitudes systématiques moins nombreuses et totalement différentes », souligne Stefan Taubenberger, premier auteur de l’étude spectroscopique. Seules quelques mesures de ce type ont été tentées à ce jour.

Des chercheurs du LAM, dont Raoul Cañameras, Stéphane Basa et Benjamin Schneider, contribuent actuellement aux observations de suivi indispensables à la finalisation de l’analyse. Une priorité est de suivre la luminosité de la supernova au fil du temps afin de mesurer avec précision les décalages temporels entre ses copies. Pour ce faire, l’équipe utilise activement le télescope robotisé COLIBRI, construit dans le cadre d’une collaboration franco-mexicaine entre l’AMU, le CNES, le CNRS, l’UNAM et le SECIHTI.

Parallèlement aux efforts déployés par les astronomes du monde entier, ces observations de SN Winny fourniront de nouvelles données cruciales et contribueront à faire un pas vers la résolution de la tension de Hubble.