Au niveau de la magnétopause des planètes — la frontière entre la magnétosphère et le vent solaire interplanétaire — a lieu un étrange phénomène connu sous le nom d’instabilité de Kelvin-Helmholtz (KHI), provoquant des vortex magnétiques. Grâce à la sonde spatiale Juno, des chercheurs confirment pour la première fois la présence fréquente de vortex d’ondes magnétiques géants au niveau de la magnétopause de Jupiter.
En dynamique des fluides, l’instabilité de Kelvin-Helmholtz (KHI) est un mouvement ondulatoire engendré par l’interaction entre deux fluides thermiquement stables, qui se superposent et se déplacent à des vitesses différentes. Cette instabilité est transposable dans de nombreux phénomènes géophysiques, allant de la dynamique atmosphérique et océanique au comportement du plasma. Les ondes Kelvin-Helmholtz (ou ondes KH), ou plutôt les vortex qui en résultent, influencent considérablement la dynamique des deux milieux.
En astrophysique, le phénomène se produit lorsqu’il existe une grande différence de vitesse au niveau de la frontière séparant deux régions de l’espace. Au niveau d’une planète, il peut être observé au niveau de la magnétopause, la frontière séparant son champ magnétique (magnétosphère) du flux de particules chargées émis par le Soleil (vent solaire). Invisibles à l’œil nu, les ondes KH sont détectées par le biais des analyses de variations au niveau des champs magnétiques. Les résultats d’observations in situ d’ondes KH terrestres et saturniennes suggèrent qu’elles peuvent en théorie se développer dans toutes les conditions de champ magnétique interplanétaires.
Cependant, le phénomène n’a été confirmé sur Jupiter que récemment. En effet, si le phénomène a pu être observé au niveau de la Terre et de Saturne, il n’en était pas de même pour Jupiter. « Juno a observé ces ondes au cours de plusieurs de ses orbites, fournissant des preuves concluantes que les instabilités de Kelvin-Helmholtz jouent un rôle actif dans l’interaction entre le vent solaire et Jupiter », affirme dans un communiqué Jake Montgomery, chercheur au département de physique et d’astronomie de l’Université du Texas à San Antonio. Les résultats de l’étude sont disponibles dans la revue Geophysical Research Letters.
Détection de 25 vortex d’ondes
Le plasma situé à l’intérieur de la magnétosphère de Jupiter est rassemblé au niveau de la région équatoriale (à basse latitude) et forme un disque autour la planète. Ce disque s’étend vers l’extérieur et effectue une « sous-corotation » à l’intérieur de la magnétosphère. Non seulement la magnétosphère est dominée par des mouvements de rotation, mais le plasma en son sein présente également des rotations et interagit avec des flux allant vers l’arrière, au niveau de la magnétogaine (la région située entre la magnétopause et l’arc de choc de la magnétosphère).
L’effet des grandes vitesses de cisaillement entre la magnétosphère et le plasma de la magnétogaine peut engendrer des ondes KH du côté de l’aube de Jupiter. Ces ondes peuvent entraîner un transfert de masse et d’impulsion à travers la magnétopause, et engendrer la formation d’autres ondes KH du côté du crépuscule de la planète. De précédentes simulations appuient cette hypothèse, en démontrant que les ondes KH de Jupiter peuvent se former quelle que soit l’orientation du champ magnétique interplanétaire. De plus, la magnétogaine serait dominée par des mouvements hydrodynamiques et non magnétohydrodynamiques. De ce fait, les ondes KH peuvent se former à des latitudes plus élevées.
La nouvelle étude, qui corrobore ces hypothèses, a été menée par des chercheurs de l’Université du Texas. Elle consistait en l’analyse des dernières données in situ transmises par la sonde spatiale Juno et se concentrait particulièrement sur les signatures d’ondes KH du côté crépusculaire de la magnétosphère de Jupiter.
Pour ce faire, les capteurs ultrasensibles d’ions et d’électrons et les magnétomètres à haute résolution de la sonde spatiale ont été mis à contribution. En effet, les mesures thermiques des ions et des électrons sont nécessaires à la détection précise des conditions de KHI. Au total, la sonde a effectué 62 passages au niveau de la magnétopause de Jupiter. Les chercheurs ont constaté que 25 vortex d’ondes (40%) correspondent à des conditions de KHI. Plus précisément, 25 passages correspondaient à des conditions de KHI tandis que 38 (61,3%) étaient non conformes.
Par ailleurs, des indices de reconnexion magnétique ont été observés dans environ 25% des KHI. Les mouvements de magnétopause correspondant aux conditions de KHI avaient également des vitesses de cisaillement plus importantes. Selon les experts, ces interactions sont importantes dans la mesure où elles répartissent le plasma et l’énergie à travers la magnétopause et la magnétosphère de Jupiter. Ce qui signifie qu’elles jouent un rôle clé dans la dynamique de l’ensemble du système.
L’électron est une particule élémentaire qui, avec les protons et
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