Étude de la dynamique et de la composition des atmosphères des planètes géantes : préparation de la mission JUICE

Abstract

Le Jupiter Icy Moon Explorer (JUICE) est la prochaine grande mission de l’Agence spatiale Européenne. JUICE embarquera 10 instruments et sera lancé en 2023 pour étudier le système jovien à partir de 2031 et pendant 4 ans. Parmi ses instruments, le Submillimeter Wave Instrument (SWI, PI P. Hartogh, MPS, Allemagne) nous intéresse plus particulièrement. Il s’agit d’un télescope de 29 cm de diamètre qui observera Jupiter et les satellites galiléens dans le domaine submillimétrique. SWI est destiné à étudier la composition ainsi que la dynamique des atmosphères de ces corps mais aussi les surfaces des satellites. Ce travail de thèse consiste à analyser et interpréter des observations de Jupiter et de Saturne, prises avec des télescopes au sol et spatiaux, pour préparer le programme scientifique de JUICE/SWI.Tout d’abord, nous avons étudié l’évolution temporelle de l’abondance d’H2O dans la stratosphère de Jupiter à partir de deux décennies de données recueillies par le télescope spatial Odin. Cette première étude nous permet notamment de prédire l’observabilité par SWI d’H2O dans la stratosphère de Jupiter grâce à nos modélisations photochimiques.Nous avons également analysé des observations ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) de CO et d’HCN, qui ont initialement été déposés dans la stratosphère de Jupiter lors de la désintégration de la comète Shoemaker-Levy-9 en 1994. Comme H2O, ces composés seront observables dans les bandes spectrales de SWI. Nous avons développé une méthode qui permet de mesurer directement l’effet Doppler induit par les vents atmosphériques sur les raies spectrales, grâce à la très haute résolution spectrale et spatiale d’ALMA. Cette méthode, qui permet d’étudier la dynamique atmosphérique des planètes géantes, est basée sur la technique de modélisation Markov Chain Monte Carlo.Nos résultats dans la haute stratosphère de Jupiter indiquent que des jets sont présents dans la zone équatoriale. Ces mesures de vent, jumelées avec des mesures concomitantes de la température stratosphériques, nous ont permis de caractériser la circulation stratosphérique équatoriale grâce à l’équation du vent thermique. Nous avons ainsi mis en évidence un empilement vertical de jets équatoriaux dirigés alternativement vers l’ouest et vers l’est.Nous avons appliqué cette même technique de mesure de vents à des observations ALMA de CO et d’HCN dans la stratosphère de Saturne. Nos résultats révèlent une circulation équatoriale inédite. Nous retrouvons, en effet, le grand jet équatorial de Saturne, auparavant observé par Hubble et Cassini au niveau des nuages entre 60 et 2000 mbar de pression, à 0.1 mbar, c’est-à-dire 500 km plus haut que les observations Hubble et Cassini.Par ailleurs, nous avons découvert que les zones polaires de Jupiter et de Saturne sont le siège d’une chimie et d’une dynamique particulières. En effet, dans la stratosphère de Jupiter, nos observations Odin et ALMA montrent qu’H2O et HCN sont détruits plus rapidement dans ces zones qu’aux latitudes basses et moyennes. Par ailleurs, nous avons détecté la présence de jets auroraux qui sont positionnés sous les ovales auroraux nord et sud de Jupiter. Il semble qu’un jet similaire soit également présent sous l’ovale auroral nord de Saturne. Nous pensons que ces jets pourraient former des vortex géants jusqu’à l’ionosphère où une dynamique similaire a été détectée sur Jupiter. Il se pourrait donc que l’on soit en présence de vortex gigantesques qui participeraient au confinement de la matière dans les zones aurorales où des électrons énergétiques précipitent et contribuent à la chimie. C’est pourquoi nous avons développé un outil de modélisation du transport des électrons magnétosphériques afin de le coupler à un modèle photochimique ion-neutre dans les zones aurorales de Jupiter et ainsi mieux comprendre la chimie et la dynamique de ces régions particulière. À terme, nous prévoyons d’appliquer ce modèle également à Saturne.