Grâce à ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), dont l'Observatoire Européen Austral (ESO) est partenaire, une équipe d'astronomes a mesuré directement les vents dans la moyenne atmosphère de Jupiter pour la première fois. En analysant les conséquences de la collision d'une comète dans les années 1990, les chercheurs ont mis en évidence des vents incroyablement puissants, dont la vitesse peut atteindre 1 450 kilomètres par heure, près des pôles de Jupiter. Ils pourraient représenter ce que l'équipe a décrit comme un "monstre météorologique unique dans notre système solaire".
Représentation des vents stratosphériques près du pôle sud de Jupiter. Crédit: ESO/L. Calçada & NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS.
Cette image montre une vue d'artiste des vents dans la stratosphère de Jupiter près du pôle sud de la planète, les lignes bleues représentant la vitesse des vents. Ces lignes sont superposées à une image réelle de Jupiter, prise par la caméra JunoCam à bord de la sonde spatiale Juno de la NASA.
Les célèbres bandes de nuages de Jupiter sont situées dans la basse atmosphère, où les vents ont été mesurés précédemment. Mais suivre les vents juste au-dessus de cette couche atmosphérique, dans la stratosphère, est beaucoup plus difficile car il n'y a pas de nuages à cet endroit. En analysant les conséquences de la collision d'une comète dans les années 1990 et en utilisant le télescope ALMA, dont l'ESO est partenaire, les chercheurs ont pu mettre en évidence des vents stratosphériques incroyablement puissants, dont la vitesse peut atteindre 1450 kilomètres par heure, près des pôles de Jupiter. Jupiter est connue pour ses bandes rouges et blanches particulièrement distinctives: des nuages tourbillonnants de gaz en mouvement que les astronomes utilisent traditionnellement pour suivre les vents dans la basse atmosphère de Jupiter. Les astronomes ont également observé, près des pôles de Jupiter, des lueurs brillantes connues sous le nom d'aurores, qui semblent être associées à des vents forts dans la haute atmosphère de la planète. Mais, jusqu'à présent, les chercheurs n'avaient jamais été en mesure de mesurer directement la dynamique des vents entre ces deux couches atmosphériques, dans la stratosphère.
Mesurer la vitesse des vents dans la stratosphère de Jupiter à l'aide de techniques de suivi des nuages est impossible en raison de l'absence de nuages dans cette partie de l'atmosphère. Cependant, les astronomes ont trouvé un autre outil de mesure avec la comète Shoemaker-Levy 9, qui est entrée en collision avec la géante gazeuse de façon spectaculaire en 1994. Cet impact a produit de nouvelles molécules dans la stratosphère de Jupiter, où elles se déplacent depuis lors au gré des vents.
Cette image, prise avec le télescope MPG/ESO de 2,2 mètres et l'instrument IRAC, montre la comète Shoemaker-Levy 9 percutant Jupiter en juillet 1994. Crédit: ESO.
Une équipe d'astronomes, dirigée par Thibault Cavalié du Laboratoire d'Astrophysique de Bordeaux en France, a pu suivre l'une de ces molécules - le cyanure d'hydrogène - pour mesurer directement les " courants-jets " stratosphériques sur Jupiter. Les scientifiques utilisent le mot "courant-jet" pour désigner des bandes étroites de vent dans l'atmosphère, comme les courants-jets (ou jet stream) de la Terre.
"Le résultat le plus spectaculaire est la présence de puissants jets, dont la vitesse peut atteindre 400 mètres par seconde, qui sont situés sous les aurores près des pôles", explique Thibault Cavalié. Ces vitesses de vent, équivalentes à environ 1450 kilomètres par heure, sont plus de deux fois supérieures aux vitesses maximales atteintes dans la Grande Tache Rouge de Jupiter et plus de trois fois supérieures à la vitesse du vent mesurée sur les plus fortes tornades de la Terre.
"Notre découverte indique que ces jets pourraient se comporter comme un vortex géant d'un diamètre pouvant atteindre quatre fois celui de la Terre, et d'une hauteur de quelque 900 kilomètres", précise le coauteur Bilal Benmahi, également du Laboratoire d'astrophysique de Bordeaux. "Un vortex de cette taille serait un monstre météorologique unique dans notre système solaire", ajoute Thibault Cavalié.
Les astronomes connaissaient l'existence de vents forts près des pôles de Jupiter, mais beaucoup plus haut dans l'atmosphère, à des centaines de kilomètres au-dessus de la zone visée par la nouvelle étude, qui est publiée aujourd'hui dans Astronomy & Astrophysics. Des études antérieures avaient prédit que ces vents de la haute atmosphère diminueraient en vitesse et disparaîtraient bien avant d'atteindre la stratosphère. "Les nouvelles données d'ALMA nous disent le contraire", déclare Thibault Cavalié, ajoutant que la découverte de ces forts vents stratosphériques près des pôles de Jupiter a été une "vraie surprise".
L'équipe a utilisé 42 des 66 antennes de haute précision d'ALMA, situées dans le désert d'Atacama au nord du Chili, pour analyser les molécules de cyanure d'hydrogène qui se déplacent dans la stratosphère de Jupiter depuis l'impact de Shoemaker-Levy 9. Les données d'ALMA leur ont permis de mesurer le décalage Doppler - de minuscules changements dans la fréquence du rayonnement émis par les molécules - causé par les vents dans cette région de la planète. "En mesurant ce décalage, nous avons pu déduire la vitesse des vents, un peu comme on peut déduire la vitesse d'un train qui passe par le changement de fréquence du klaxon du train", explique le co-auteur de l'étude, Vincent Hue, un planétologue du Southwest Research Institute aux États-Unis.
En plus des surprenants vents polaires, l'équipe a également utilisé ALMA pour confirmer l'existence de forts vents stratosphériques autour de l'équateur de la planète, en mesurant directement leur vitesse, également pour la première fois. Les courants-jets repérés dans cette partie de la planète ont une vitesse moyenne d'environ 600 kilomètres par heure.
Les observations d'ALMA nécessaires pour suivre les vents stratosphériques aux pôles et à l'équateur de Jupiter ont nécessité moins de 30 minutes de temps de télescope. "Les hauts niveaux de détails que nous avons atteints en si peu de temps démontrent vraiment la puissance des observations d'ALMA", explique Thomas Greathouse, scientifique au Southwest Research Institute aux États-Unis et coauteur de l'étude. "Pour moi ce fut vraiment incroyable de voir la première mesure directe de ces vents".
"Ces résultats d'ALMA ouvrent une nouvelle fenêtre pour l'étude des régions aurorales de Jupiter, ce qui était vraiment inattendu il y a seulement quelques mois", déclare Cavalié. "Ils ouvrent également la voie à des mesures similaires et plus approfondies qui seront effectuées par la mission JUICE et son instrument submillimétrique SWI", ajoute Thomas Greathouse, en référence à la mission JUpiter ICy moons Explorer de l'Agence Spatiale Européenne, qui devrait être lancée dans l'espace l'année prochaine.
L'Extremely Large Telescope (ELT) de l'ESO, qui devrait voir sa première lumière dans le courant de la décennie, explorera également Jupiter. Ce télescope sera capable de faire des observations très détaillées des aurores de la planète, ce qui nous permettra de mieux comprendre l'atmosphère de Jupiter.
Image étonnante de Jupiter prise en lumière infrarouge dans la nuit du 17 août 2008 avec le prototype d'instrument MAD (Multi-Conjugate Adaptive Optics Demonstrator) monté sur le Very Large Telescope de l'ESO. Cette photo en fausses couleurs est la combinaison d'une série d'images prises sur une période d'environ 20 minutes, à travers trois filtres différents (2, 2,14 et 2,16 microns).
La netteté de l'image obtenue est d'environ 90 milli-arcsecondes d'arc sur l'ensemble du disque planétaire, un véritable record sur des images similaires prises depuis le sol. Cela correspond à voir des détails d'environ 300 km de large sur la surface de la planète géante. La grande tache rouge n'est pas visible sur cette image comme elle l'était de l'autre côté de la planète lors des observations. Les observations ont été faites dans les longueurs d'onde infrarouges où l'absorption due à l'hydrogène et au méthane est forte.
Cela explique pourquoi les couleurs sont différentes de la façon dont nous voyons habituellement Jupiter dans le visible. Cette absorption signifie que la lumière ne peut être réfléchie que par les brumes de haute altitude, et non par les nuages plus profonds. Ces brumeux se trouvent dans la partie supérieure très stable de la troposphère de Jupiter, où les pressions sont comprises entre 0,15 et 0,3 bar. Le mélange est faible dans cette région stable, de sorte que les minuscules particules de brume sèche peuvent survivre pendant des jours, voire des années, selon leur taille et leur vitesse de chute.
En outre, près des pôles de la planète, une brume stratosphérique plus élevée (régions bleu clair) est générée par les interactions avec les particules piégées dans le champ magnétique intense de Jupiter.
Crédit: ESO/F. Marchis, M. Wong, E. Marchetti, P. Amico, S. Tordo.
Des vents stratosphériques puissants près du pôle sud de Jupiter (animation).
Animation de Jupiter montrant les sites d'impact de la comète Shoemaker-Levy 9.