Des rayons X énigmatiques à haute énergie ont été espionnés en provenance de Jupiter

Jupiter a finalement été observé crachant des rayons X dans des longueurs d’onde de haute énergie.

Émanant des aurores permanentes de la planète géante, et détecté par le télescope spatial à rayons X de la NASA NuSTARles émissions sont la lumière la plus énergétique vue provenant de n’importe quelle planète du système solaire (à part la Terre).

La détection pourrait faire la lumière sur les aurores les plus puissantes du système solaire et résoudre un mystère de longue date : pourquoi l’association ESA-NASA Ulysse Le vaisseau spatial n’a détecté aucun rayon X jovien au cours de ses près de trois décennies de fonctionnement entre 1990 et 2009.

Les aurores de Jupiter constituent un phénomène absolument fascinant. À ses deux pôles, la planète est entourée d’aurores permanentes – invisibles à nos yeux, mais brillantes dans les longueurs d’onde ultraviolettes. Ces régions ont également été observées émettant des rayons X de faible énergie, ou « mous », par les observatoires de rayons X Chandra et XMM-Newton.

Les scientifiques pensaient qu’il devrait également y avoir de haute énergie, ou rayons X « durs », au-delà de ce que ces instruments peuvent détecter. Ils ont donc utilisé NuSTAR pour les rechercher.

« Il est assez difficile pour les planètes de générer des rayons X dans la gamme détectée par NuSTAR », a déclaré l’astrophysicienne Kaya Mori de l’Université de Columbia.

« Mais Jupiter a un champ magnétique énorme, et il tourne très rapidement. Ces deux caractéristiques signifient que la magnétosphère de la planète agit comme un accélérateur de particules géant, et c’est ce qui rend possibles ces émissions à haute énergie. »

Les aurores de Jupiter ressemblent à des aurores ici sur Terre, où elles sont générées par des particules différentes soufflant du Soleil. Ils entrent en collision avec le champ magnétique terrestre, qui envoie des particules chargées comme des protons et des électrons sifflant le long des lignes de champ magnétique vers les pôles, où ils pleuvent sur la haute atmosphère terrestre et entrent en collision avec les molécules atmosphériques. L’ionisation résultante de ces molécules génère les superbes lumières dansantes.

Sur Jupiter, le mécanisme de base est similaire, mais il y a quelques différences. Les aurores sont constantes et permanentes, comme indiqué précédemment; c’est parce que les particules ne sont pas solaires, mais de la lune jovienne Io, le monde le plus volcanique du système solaire.

Il crache constamment du dioxyde de soufre, qui est immédiatement extrait via une interaction gravitationnelle complexe avec la planète, s’ionisant et formant un tore de plasma autour de la géante gazeuse. Les particules de ce tore sont envoyées en sifflant le long des lignes de champ magnétique vers les pôles, et ainsi de suite.

L’émission détectée par NuSTAR. (NASA/JPL-Caltech)

Ce processus génère des rayons X mous, comme découvert précédemment. Maintenant, des rayons X durs ont également été trouvés. Ce n’était pas une détection facile à faire, car les rayons X à haute énergie sont en fait assez faibles, mais cela, selon les chercheurs, n’explique pas pourquoi Ulysse n’a pas pu les détecter. La réponse, ont-ils trouvé, réside dans la façon dont les rayons X durs sont générés.

Lorsque les électrons sont accélérés le long des lignes de champ magnétique de Jupiter, ils finissent par pénétrer dans l’atmosphère de la planète à grande vitesse. Lorsque ces électrons entrent dans le voisinage des noyaux atomiques et de leurs champs électriques, ils sont brusquement déviés et décélérés. Cependant, leur énergie cinétique doit aller quelque part, selon la loi de la conservation de l’énergie, elle est donc convertie en rayonnement X.

C’est appelé bremsstrahlung, ou rayonnement de freinage. Les rayons X mous sont générés via un mécanisme différent appelé échange de charge, dans lequel les électrons sont transférés aux ions, dont l’excitation génère une lueur.

Ces mécanismes produisent chacun un profil lumineux différent, ont déclaré les chercheurs. À des énergies plus élevées, les rayons X de bremsstrahlung devraient être plus faibles à des énergies plus élevées, ce qui expliquerait pourquoi Ulysse ne les a jamais trouvés.

L’équipe a modélisé les données, y compris le mécanisme de bremsstrahlung, et non seulement cela correspondait aux observations de NuSTAR, mais cela a montré que l’émission est en dehors de la plage de sensibilité d’Ulysses. Jusqu’ici tout va bien, mais nous venons seulement de commencer à sonder le phénomène.

Par exemple, alors que NuSTAR pouvait détecter des rayons X durs dans la région générale des aurores joviennes, il était incapable de localiser un point d’émission précis.

« La découverte de ces émissions ne clôt pas l’affaire, elle ouvre un nouveau chapitre », a-t-il ajouté. dit l’astronome William Dunn de l’University College London au Royaume-Uni.

« Nous avons encore tant de questions sur ces émissions et leurs sources. Nous savons que les champs magnétiques rotatifs peuvent accélérer les particules, mais nous ne comprenons pas entièrement comment ils atteignent des vitesses aussi élevées à Jupiter. Quels processus fondamentaux produisent naturellement des particules aussi énergétiques ? »

Les futures études aux rayons X durs des aurores de Jupiter pourraient aider à mieux comprendre la physique en jeu.

La recherche a été publiée dans Astronomie naturelle.