LESIA - Observatoire de Paris

Cassini « Grand Finale » : une plongée au cœur des aurores radio de Saturne

vendredi 5 octobre 2018

Un an après la fin de la mission Cassini, la moisson de données collectée lors du « Grand Finale » commence à livrer ses premiers résultats. Dans une étude à paraître dans un numéro spécial de la revue Science le 5 octobre 2018, une équipe internationale menée par un astronome du LESIA a identifié et caractérisé in situ les régions d’émission du rayonnement radio auroral de Saturne.

Représentation des orbites effectuées par la mission Cassini entre 2010 et (...)
Représentation des orbites effectuées par la mission Cassini entre 2010 et 2017

Le « Grand finale » correspond à des orbites polaires courtes (en couleur). Dans cette étude, les auteurs ont étudié les 20 orbites dont le périkrone était situé juste au-delà de l’anneau F (en jaune, « F-ring ») ainsi que les 7 orbites d’approche (« pre F-ring ») qui les ont précédés.
Crédit : NASA/JPL-Caltech/Erick Sturm

Les planètes dotées d’un champ magnétique comme la Terre ou les planètes géantes génèrent des émissions lumineuses au voisinage de leurs pôles magnétiques : ce sont les aurores polaires. Elles sont produites par l’afflux de particules énergétiques, essentiellement des électrons, accélérés dans la magnétosphère - l’environnement planétaire magnétisé – via des mécanismes complexes, puis guidés vers la planète le long des lignes de champ magnétique de haute latitude. Lorsqu’ils précipitent dans l’atmosphère, ces électrons génèrent des émissions par collision, qui sont observées dans le domaine optique (visible, ultraviolet ou infrarouge).

Au-dessus de l’atmosphère, et jusqu’à quelques rayons planétaires de distance, ces mêmes électrons amplifient également des ondes dans le domaine radio. Ce rayonnement radio est très intense. Son étude in situ est essentielle pour comprendre comment il est émis et quelles informations apporte son observation à distance sur la magnétosphère. L’exploration des magnétosphères du Système solaire doit, de plus, établir la référence qui permettra d’interpréter les émissions radio en provenance d’exoplanètes, de naines brunes ou d’étoiles, dont la recherche bat son plein.

Lors du « Grand Finale », ultime phase de la mission Cassini, la sonde spatiale a exécuté des passages répétés à basse altitude au-dessus des pôles magnétiques, où le rayonnement radio auroral de Saturne prend naissance. En analysant les données in situ acquises par l’instrument radio [1] et le magnétomètre de la sonde, les auteurs de l’étude ont identifié les « sources » d’aurores radio lointaines, à environ 3 rayons planétaires (180 000 km) au-dessus de l’atmosphère. Ils ont pu ainsi caractériser les propriétés des ondes radio, de leur lieu d’émission et les confronter avec succès aux prédictions théoriques.

Résultat : le rayonnement radio auroral de Saturne est produit par le même mécanisme d’émission que celui identifié à la Terre et tout récemment à Jupiter.

- une instabilité de plasma connue sous le nom d’Instabilité Maser Cyclotron - qui permet à des électrons, ici mesurés avec des énergies de quelques kilo-électronvolts, de céder une partie de leur énergie aux ondes radio lors de leur mouvement de giration autour des lignes de champ magnétique.

Cependant, ce mécanisme opère dans des conditions très différentes de celles rencontrées à la Terre. Les régions d’émission radio sont situées bien plus loin de Saturne et les électrons impliqués, mesurés localement, nécessitent d’avoir été préalablement accélérés vers la planète plus loin que la région d’émission, ce qui bouscule notre compréhension des processus d’accélération à l’oeuvre dans la magnétosphère.

De plus, les sources radio ont été rencontrées sur des lignes de champ magnétique précisément connectées à des régions particulières des aurores ultraviolettes observées simultanément par le télescope spatial Hubble depuis l’orbite terrestre4. Les auteurs ont mis en évidence que cette association partielle entre sources radio lointaines et aurores ultraviolettes était imputable à une densité de plasma locale très variable, dont l’origine reste à identifier, parfois trop élevée pour que l’instabilité fonctionne.

Ces résultats confirment qu’un même mécanisme d’émission universel est capable de produire des ondes radio aurorales dans les environnements d’objets magnétisés très différents les uns des autres.

Tracé projeté, dans un plan méridien, des orbites de haute latitude du « Grand (...)
Tracé projeté, dans un plan méridien, des orbites de haute latitude du « Grand Finale » de Cassini

Les sources attendues du rayonnement radio auroral de Saturne (symboles colorés) sont localisées sur des lignes de champ magnétique de haute latitude (en gris). L’étude a porté sur les sources radio lointaines rencontrées lors des orbites « F-ring » et « pre F-ring ».
Crédit : L. Lamy, Observatoire de Paris – PSL / LESIA


À gauche : Emissions radio aurorales de Saturne observées depuis la sonde Cassini au voisinage d’une traversée de source radio. La position des émissions radio a pu être retrouvée grâce à l’analyse gonio-polarimétrique de données acquises avec un instrument radio sophistiqué.
À droite : Aurores ultraviolettes observées simultanément par le télescope spatial Hubble. La flèche grise indique le pied magnétique de Cassini le long de sa trajectoire. L’intervalle correspondant à la source radio traversée (en orange) correspond à l’intérieur de l’ovale auroral.
Crédit : L. Lamy, Observatoire de Paris – PSL


Vidéo : Les observations radio du rayonnement kilométrique de Saturne

Référence

Ce travail de recherche a fait l’objet d’un article intitulé “The low frequency source of Saturn’s Kilometric Radiation," par L. Lamy et.al. paraissant le 5 octobre 2018 dans la revue Science.

Ces travaux sont le fruit d’une collaboration internationale comprenant quatre chercheurs français au LESIA : L. Lamy, P. Zarka, B. Cecconi , R. Prangé, ainsi que six chercheurs étrangers : W. S. Kurth, G. Hospodarsky, A. Persoon, M. Morooka, J.-E. Wahlund, G. J. Hunt.

Contact LESIA

Notes

[1L’expérience Radio and Plasma Wave Science (RPWS) embarquée sur Cassini consiste en une série de récepteurs connectés à plusieurs senseurs dont trois antennes électriques de 10 m de long. Le récepteur haute fréquence, baptisé Kronos, a été construit en 1995 à l’Observatoire de Paris, au LESIA, avec le soutien du CNES. Il a fonctionné sans interruption pendant les vingt années de la mission Cassini, de 1997 à 2017.