30 Mar Le profil plus mince de la planète géante

De nouvelles recherches mesurent les dimensions de Jupiter avec une précision sans précédent.

Pendant plus de 50 ans, nous pensions connaître la taille et la forme de Jupiter, la plus grande planète du système solaire. Aujourd’hui, les chercheurs de l’Institut Weizmann des Sciences ont révisé ces connaissances à l’aide de nouvelles données et technologies.

Dans une nouvelle étude publiée  dans Nature Astronomy, les scientifiques de l’Institut Weizmann, qui ont dirigé une équipe internationale composée de chercheurs italiens, américains, français et suisses, fournissent la détermination la plus précise à ce jour de la taille et de la forme de Jupiter.

(g-d) Dr. Gidi Yoffe, Zohar Tal, Prof. Yohai Kaspi, Dr. Or Hadas, Dr. Maria Smirnova, Maayan Ziv, Dr. Eli Galanti, Rachel Navon and Wuqiushi Yao

« Il suffit de connaître la distance qui nous sépare de Jupiter et d’observer sa rotation pour déterminer sa taille et sa forme », explique le professeur Yohai Kaspi, du Département des Sciences Terrestres et Planétaires de l’Institut Weizmann. « Mais pour obtenir des mesures vraiment précises, il faut recourir à des méthodes plus sophistiquées. »

« La forme de Jupiter, telle qu’elle était comprise jusqu’à présent, avait été déterminée par les chercheurs à partir de seulement six mesures effectuées il y a près de cinquante ans par les missions Voyager et Pioneer de la NASA, qui envoyaient des faisceaux radio depuis les sondes spatiales vers la Terre », explique le Dr Eli Galanti, scientifique senior qui a dirigé les recherches au sein de l’équipe de Kaspi. « Ces missions ont jeté les bases, mais nous avons aujourd’hui l’occasion rare de mener l’analyse de pas moins de 26 nouvelles mesures effectuées par le vaisseau spatial Juno de la NASA. »

Lancée en 2011 et en orbite autour de Jupiter depuis 2016, Juno a envoyé à la NASA des flux de données brutes. Lorsque la NASA a prolongé la mission en 2021 afin que le vaisseau spatial puisse continuer à étudier Jupiter et ses lunes de plus près, la nouvelle trajectoire élargie de Juno a placé le vaisseau spatial sur une orbite qui lui a permis de passer derrière Jupiter du point de vue de la Terre, ce que son orbite précédente ne lui avait jamais permis. « Le passage de Juno derrière Jupiter offre de nouvelles perspectives scientifiques. Lorsque le vaisseau spatial passe derrière la planète, son signal de communication radio est bloqué et dévié par l’atmosphère de Jupiter. Cela permet de mesurer avec précision la taille de Jupiter », explique le Dr Scott J. Bolton, chercheur principal de Juno au Southwest Research Institute de San Antonio, au Texas.

L’équipe Juno de Weizmann a saisi cette nouvelle opportunité. « Nous avons suivi la façon dont les signaux radio se courbent lorsqu’ils traversent l’atmosphère de Jupiter, ce qui nous a permis de traduire ces informations en cartes détaillées de la température et de la densité de Jupiter, produisant ainsi l’image la plus claire à ce jour de la taille et de la forme de la planète géante », explique Maria Smirnova, doctorante dans le groupe du Prof.  Kaspi, qui a mis au point une technique spéciale pour traiter les nouvelles données de Juno.

Les nouvelles découvertes montrent que Jupiter est légèrement plus petite que ce qui avait été estimé précédemment : elle mesure environ 8 km de moins à l’équateur et 24 km de moins aux pôles. En d’autres termes, elle est plus aplatie que ce qui avait été évalué auparavant. « Les manuels scolaires devront être mis à jour », déclare Kaspi. « La taille de Jupiter n’a bien sûr pas changé, mais la façon dont nous la mesurons, oui. »

« Ces quelques kilomètres ont leur importance », explique Galanti. « En modifiant légèrement le rayon, nos modèles de l’intérieur de Jupiter correspondent beaucoup mieux aux données gravimétriques et aux mesures atmosphériques. » Cette implication a été testée par un autre doctorant du groupe du Prof. Kapsi, Maayan Ziv. « Nous étions dans une position unique pour utiliser nos modèles de pointe sur la structure de densité interne de Jupiter afin de montrer que la forme affinée permet de combler l’écart entre les modèles et les mesures », explique M. Ziv. Cette étude a également des implications plus larges pour la compréhension de la structure des planètes gazeuses en général, puisque Jupiter sert de référence standard pour l’étude des géantes gazeuses au sein du système solaire et au-delà.

Le Prof. Kaspi note également que les mesures précédentes ne tenaient pas compte des vents puissants de Jupiter. En incluant ces vents extrêmes dans leurs calculs, l’équipe de Weizmann a élucidé les divergences de longue date dans les mesures précédentes. « Il est difficile de voir ce qui se passe sous les nuages de Jupiter, mais les données radio nous donnent un aperçu de la profondeur des vents zonaux et des puissants ouragans de Jupiter », explique Kaspi.

Le pôle sud de Jupiter vu par la sonde Juno de la NASA lors d’un passage rapproché. Photo gracieusement fournie par la NASA.

Les travaux sur les vents s’inscrivent dans le prolongement d’une étude récente menée par le Prof. Kaspi et le Dr Nimrod Gavriel, diplômé du groupe du Prof.  Kaspi, sur les vastes cyclones polaires de Jupiter. Cette étude, publiée dans PNAS, a utilisé les mesures de Juno sur le mouvement de ces cyclones pour prédire jusqu’à quelle profondeur ils s’étendent à l’intérieur de la planète. Dans l’ensemble, une meilleure compréhension des vents de Jupiter permet aux scientifiques d’élucider la relation entre l’atmosphère de la planète et son intérieur profond.  Leur prédiction a récemment été confirmée par les mesures micro-ondes effectuées par la sonde spatiale Juno.

« Ces recherches nous aident à comprendre comment les planètes se forment et évoluent », explique le Prof. Kaspi. « Jupiter a probablement été la première planète à se former dans le système solaire, et en étudiant ce qui se passe à l’intérieur, nous comprenons mieux comment le système solaire et les planètes comme la nôtre ont vu le jour. »

À l’avenir, les techniques développées dans le cadre de ces études seront utiles à l’équipe lors de l’analyse des données recueillies par la sonde spatiale JUICE de l’Agence spatiale européenne, lancée en 2023. La mission emporte un instrument conçu par Weizmann qui permettra d’observer plus en détail l’atmosphère de la planète.

La Science en Chiffres

Selon les mesures actualisées, le rayon équatorial de Jupiter est environ 7 % plus grand que son rayon polaire. En comparaison, le rayon équatorial de la Terre ne dépasse son rayon polaire que de 0,33 %. Cela signifie que Jupiter est environ 20 fois plus plate que la Terre, en raison des effets combinés de la rotation rapide de la géante gazeuse, de sa structure interne complexe et des vents atmosphériques.