Des détections involontaires effectuées par la sonde Juno révèlent l’origine de la lumière zodiacale

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| ESO

Regardez le ciel nocturne juste avant l’aube, ou après le crépuscule, et vous verrez peut-être une faible colonne de lumière s’étendre à partir de l’horizon. Cette lueur lumineuse est la lumière zodiacale, ou la lumière du Soleil réfléchie vers la Terre par un nuage de minuscules particules de poussière en orbite autour du Soleil. Les astronomes ont longtemps pensé que la poussière était introduite dans le Système solaire interne par quelques-unes des familles d’astéroïdes et de comètes lointaines. Toutefois, une étude récente aurait identifié une autre source.

Une équipe d’astrophysiciens de la mission Juno soutient que Mars serait la véritable coupable. Ils ont d’abord publié leurs résultats le 11 novembre 2020 dans le Journal of Geophysical Research : Planets, avec un article final évalué par des pairs publié le 9 mars 2021. Un instrument à bord de la sonde spatiale Juno a détecté par hasard des particules de poussière qui se heurtaient à l’engin lors de son voyage de la Terre à Jupiter.

Les impacts ont fourni des indices importants sur l’origine et l’évolution orbitale de la poussière, résolvant certaines variations mystérieuses de la lumière zodiacale. Bien que leur découverte ait de grandes implications, les scientifiques qui ont passé des années à étudier les débris cosmiques n’avaient initialement pas l’intention de le faire.

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Lumière zodiacale, vue de l’observatoire du Cerro Paranal, au Chili. © ESO/Y.Beletsky

« Je n’ai jamais pensé que nous cherchions de la poussière interplanétaire », déclare John Leif Jørgensen, professeur à l’Université technique du Danemark. Jørgensen a conçu les trackers stellaires qui font partie du magnétomètre de Juno. Ces caméras embarquées prennent des photos du ciel tous les quarts de seconde pour déterminer l’orientation de Juno dans l’espace, en reconnaissant les motifs des étoiles dans ses images — une tâche technique essentielle à la précision du magnétomètre.

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Panneaux solaires de Juno : des détecteurs de poussière improvisés

Mais Jørgensen espérait que ses caméras pourraient également apercevoir un astéroïde inconnu. Il a donc programmé une caméra pour rapporter les éléments qui apparaissaient dans plusieurs images consécutives mais qui ne figuraient pas dans le catalogue des objets célestes connus. Il ne s’attendait pas à voir grand-chose : presque tous les objets dans le ciel sont répertoriés dans le catalogue d’étoiles.

Ainsi, lorsque la caméra a commencé à projeter des milliers d’images d’objets non identifiables — des stries apparaissant puis disparaissant mystérieusement —, Jørgensen et ses collègues ont été déconcertés. Les chercheurs ont considéré de nombreuses causes plausibles et invraisemblables. Il y avait la possibilité troublante que la caméra étoile ait détecté un réservoir de carburant qui fuyait sur Juno. « Les images donnaient l’impression que quelqu’un secouait une nappe poussiéreuse par la fenêtre », explique Jørgensen.

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Chronologie des impacts de poussière (motifs noirs) sur les panneaux solaires de la sonde Juno, de son lancement à son insertion en orbite de Jupiter. © J. L. Jorgensen et al. 2020

Ce n’est que lorsque les chercheurs ont calculé la taille et la vitesse apparentes des objets dans les images qu’ils ont finalement réalisé quelque chose : des grains de poussière s’étaient écrasés sur Juno à environ 16 000 km/heure, coupant des morceaux submillimétriques. « Même si nous parlons d’objets avec seulement un tout petit peu de masse, ils ont un bon impact », indique Jack Connerney, responsable adjoint de la mission Juno.

Il s’est avéré que le jet de débris provenait des vastes panneaux solaires de Juno. « Chaque morceau de débris que nous avons suivi enregistre l’impact d’une particule de poussière interplanétaire, ce qui nous permet de compiler une distribution de poussière le long du trajet de Juno », explique Connerney.

Juno a été lancée en 2011. Après une manœuvre dans l’espace lointain dans la ceinture d’astéroïdes en 2012, elle est retournée dans le Système solaire interne pour une assistance gravimétrique de la Terre en 2013, qui a catapulté le vaisseau spatial vers Jupiter.

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Une mesure précise de la distribution de la poussière

Connerney et Jørgensen ont remarqué que la majorité des impacts de poussière ont été enregistrés entre la Terre et la ceinture d’astéroïdes, avec des lacunes dans la distribution liées à l’influence de la gravité de Jupiter. Selon les scientifiques, ce fut une révélation radicale. Auparavant, les astrophysiciens étaient incapables de mesurer la distribution de ces particules de poussière dans l’espace. Les détecteurs de poussière dédiés ont eu des zones de collecte limitées et donc une sensibilité limitée à une population clairsemée de poussière.

Ils comptent principalement les particules de poussière les plus abondantes et les plus petites de l’espace interstellaire. En comparaison, les grands panneaux solaires de Juno ont une zone de collecte 1000 fois plus grande que la plupart des détecteurs de poussière. L’équipe de Juno a déterminé que le nuage de poussière se terminait aux abords de la Terre parce que la gravité de la Terre aspire toute la poussière qui s’en approche. « C’est la poussière que nous considérons comme une lumière zodiacale », déclare Jørgensen.

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Modèle de distribution de la poussière, consistant en deux populations distinctes (primaire et secondaire). © J. L. Jorgensen et al. 2020

Quant au bord extérieur, à environ 2 unités astronomiques (UA) du Soleil (1 UA est la distance entre la Terre et le Soleil), il se termine juste au-delà de Mars. À ce stade, rapportent les chercheurs, l’influence de la gravité de Jupiter agit comme une barrière, empêchant les particules de poussière de traverser le Système solaire interne vers l’espace lointain. Ce même phénomène, connu sous le nom de résonance orbitale, fonctionne également dans l’autre sens, où il empêche la poussière provenant de l’espace lointain de passer dans le Système solaire interne.

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La profonde influence de la barrière de gravité indique que les particules de poussière sont sur une orbite presque circulaire autour du Soleil. Et le seul objet que nous connaissons en orbite presque circulaire autour de 2 UA est Mars, donc les astrophysiciens ont immédiatement pensé que Mars était la source de cette poussière.

« La distribution de la poussière que nous mesurons est cohérente avec la variation de la lumière zodiacale qui a été observée », explique Connerney. Les chercheurs ont développé un modèle informatique pour prédire la lumière réfléchie par le nuage de poussière, dispersée par interaction gravitationnelle avec Jupiter, qui disperse la poussière dans un disque plus épais. La diffusion ne dépend que de deux grandeurs : l’inclinaison de la poussière vers l’écliptique et son excentricité orbitale.

Lorsque les chercheurs ont intégré les éléments orbitaux de Mars, la distribution a prédit avec précision la signature révélatrice de la variation de la lumière zodiacale près de l’écliptique. Bien qu’il existe maintenant de bonnes preuves que Mars, la planète la plus poussiéreuse que nous connaissons, est la source de la lumière zodiacale, Jørgensen et ses collègues ne peuvent pas encore expliquer comment la poussière aurait pu échapper à l’emprise de la gravité martienne. Ils espèrent que d’autres scientifiques les aideront.

Sources : Journal of Geophysical Research : Planets

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