En analysant les données du télescope spatial James Webb (JWST), des chercheurs ont découvert que la complexité des schémas des aurores boréales de Saturne est alimentée par une boucle de rétroaction provoquée par ces aurores elles-mêmes. Cet effet expliquerait notamment les différences observées dans les mesures de la vitesse de rotation de la planète, qui ne seraient en réalité que les manifestations des vents dans la haute atmosphère générant les courants électriques alimentant les aurores.
La vitesse de rotation de Saturne intrigue les astronomes depuis des décennies. Selon les méthodes employées, différentes périodes de rotation sont obtenues, ce qui entretient une certaine confusion. On estime en moyenne qu’elle tourne sur elle-même en 10 h 33 min, une vitesse qui lui confère sa forme aplatie. Cependant, cette mesure demeure notoirement difficile à établir, Saturne étant une planète gazeuse, et donc sans surface solide. Son atmosphère est caractérisée par des vents rapides, tandis que son champ magnétique est presque aligné sur son axe de rotation.
En conséquence, la rotation mesurée à partir des émissions radio indique, par exemple, une vitesse d’environ 10 h 39 min, tandis que les mouvements atmosphériques observés suggèrent une vitesse de 10 h 14 min à l’équateur. D’autre part, les mesures effectuées en 2004 par la sonde Cassini de la NASA suggèrent que la vitesse de rotation de Saturne varie au fil du temps, ce qui est, en théorie, impossible.
En 2021, une étude menée par une équipe de l’Université de Northumbria, au Royaume-Uni, a montré que ces différences n’étaient pas liées à la rotation proprement dite de Saturne, mais plutôt aux vents puissants dans sa haute atmosphère. Ces derniers génèrent des courants électriques qui, à leur tour, produisent des aurores boréales induisant des signaux trompeurs de variation de la vitesse de rotation.
Une question subsistait néanmoins : si les vents atmosphériques étaient responsables de ces écarts apparents, quelle en était l’origine ? La même équipe a apporté une réponse en exploitant les données du JWST.
« Pendant des décennies, nous savions que la vitesse de rotation apparente de Saturne présentait une anomalie, sans pouvoir l’expliquer. Nous avons ensuite démontré qu’elle était liée aux vents atmosphériques, mais leur origine demeurait inconnue. Ces nouvelles observations, rendues possibles par le JWST, nous apportent enfin les preuves nécessaires pour confirmer ce mécanisme », indique dans un communiqué Tom Stallard, auteur principal de l’étude et chercheur au département de mathématiques, de physique et d’ingénierie électrique au sein de l’université.
Un processus auto-alimenté
Compte tenu de sa complexité, les différences de température et la manière dont l’énergie circule dans la haute atmosphère de Saturne restent relativement peu documentées, en comparaison de celles de Jupiter et d’Uranus. Pour combler ces lacunes, l’équipe de Stallard a utilisé le JWST afin d’observer en continu la région aurorale nord de Saturne au cours d’une journée saturnienne complète.
Les chercheurs ont collecté des données détaillées et à haute résolution qu’il serait impossible de relever avec d’autres instruments. En analysant l’émission infrarouge du cation trihydrogène (H₃⁺), une molécule formée dans la haute atmosphère de Saturne et utilisée comme traceur thermique naturel, ils ont pu produire les premières cartographies à haute résolution de la température et de la densité des particules dans cette région.
Les données obtenues avec le puissant télescope sont dix fois plus précises que les précédentes. Les détails ainsi révélés montrent notamment que les mesures antérieures comportaient des erreurs pouvant atteindre environ 50 °C. Les chercheurs ont également constaté que les schémas de température et de densité se rapprochent de ceux des modèles informatiques élaborés il y a plus de dix ans, mais uniquement si la source de chaleur est située précisément là où les principales émissions aurorales pénètrent dans l’atmosphère.
Image montrant la structure de densité asymétrique, révélant les zones où le courant auroral entrait préférentiellement dans la planète (zones plus sombres) et en sortait (zones plus claires). Ces zones sont décalées par rapport aux pics de température, mais sont à l’origine de cette asymétrie thermique. © NASA/ESA/CSA, Tom Stallard (Université de Northumbria), Melina Thévenot, Macarena Garcia Marin (STScI/ESA)
En effet, les aurores boréales réchaufferaient intensément l’atmosphère de Saturne en un point précis. Ce réchauffement engendre des vents qui, à leur tour, génèrent les courants électriques à l’origine des aurores. Ces dernières réchauffent ensuite l’atmosphère, et le cycle se répète.
« Ce que nous observons est essentiellement une pompe à chaleur planétaire. Les aurores boréales de Saturne chauffent son atmosphère, cette atmosphère génère des vents, ces vents produisent des courants qui alimentent les aurores boréales, et ainsi de suite. Le système s’auto-alimente », explique Stallard.
Ces résultats — détaillés dans Journal of Geophysical Research: Space Physics — suggèrent que les conditions atmosphériques de Saturne influencent directement celles de sa magnétosphère. La relation bidirectionnelle entre l’atmosphère et la magnétosphère pourrait d’ailleurs expliquer la stabilité et la longévité de cette boucle de rétroaction, selon les chercheurs.
Par ailleurs, les conclusions de l’étude pourraient éclairer plus largement la compréhension des atmosphères planétaires. « Si les conditions atmosphériques d’une planète peuvent générer des courants dans l’environnement spatial environnant, alors l’étude des stratosphères d’autres mondes pourrait révéler des interactions que nous n’avons pas encore imaginées », conclut le physicien.
