Des rayons X issus d’Uranus détectés pour la première fois !

détection rayons X Uranus
Cette image d'Uranus est composée d’une image optique capturée par le télescope Keck à Hawaï (bleu et blanc) et de données radiographiques de Chandra (rose). | X-ray: NASA/CXO/University College London/W. Dunn et al; Optique: Observatoire WM Keck

L’analyse d’observations d’Uranus réalisées en 2002 puis en 2017 par le télescope spatial Chandra a permis aux astronomes de détecter pour la première fois des rayons X provenant de cette planète fascinante ! Ces derniers pourraient apporter de précieuses informations sur cette géante glacée. Mais une incertitude demeure sur l’origine de ces rayons X…

Au sein du système solaire, des émissions de rayons X ont été détectées sur toutes les planètes à l’exception des géantes de glace : Uranus et Neptune. Or, l’étude des émissions de rayons X des planètes fournit des informations clés et souvent uniques sur une variété de caractéristiques du système. Les données les plus pertinentes pour Uranus concernent la composition de l’atmosphère, de la surface et des anneaux de la planète, le couplage magnétosphère-ionosphère et la nature des interactions du vent solaire avec l’atmosphère.

Uranus est la septième planète de notre système solaire (par ordre d’éloignement du Soleil). Son atmosphère se compose principalement d’hydrogène et d’hélium ; la planète est faite de glaces et de roches et le méthane lui confère une teinte aigue-marine. À l’instar des autres planètes géantes, Uranus possède un système d’anneaux et de nombreux satellites naturels. Mais ce qui la rend unique, c’est que son axe de rotation est quasiment aligné dans son plan de révolution autour du Soleil. Elle n’a malheureusement fait l’objet que d’une seule « visite », lorsque la sonde Voyager 2 l’a survolé en 1986.

Une source encore indéterminée

Fort heureusement, les télescopes spatiaux Hubble et Chandra ont permis de réaliser par la suite des observations plus détaillées et d’obtenir un peu plus d’informations sur cette planète lointaine. Ainsi, dans le cadre d’une nouvelle étude, une équipe internationale de chercheurs a entrepris d’analyser les observations réalisées par le télescope Chandra en 2002, puis en 2017. Ils ont clairement identifié une émission de rayons X dans les données de 2002 et les signes d’une potentielle nouvelle émission 15 ans plus tard.

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Champ observé par l’Advanced CCD Imaging Spectrometer, le 7 août 2002. En bleu, les photons à rayons X en coordonnées célestes. En orange, les photons des rayons X sont re-projetés en coordonnées centrées sur Uranus. © W.R. Dunn et al.

Quelle est l’origine exacte de ces rayons X ? Les chercheurs pensaient initialement que la plupart de ces rayons provenaient du Soleil et se dispersaient au large de l’atmosphère d’Uranus. En effet, le phénomène a déjà été constaté pour Jupiter et Saturne, qui diffusent la lumière des rayons X solaires de la même manière que notre atmosphère diffuse la lumière du Soleil. Cependant, certains indices laissent penser qu’une autre source de rayons X est impliquée.

L’une des hypothèses envisagées est que les anneaux d’Uranus produisent eux-mêmes des rayons X, tout comme les anneaux de Saturne. Uranus est entouré de particules chargées, telles que des électrons et des protons, dans son environnement spatial proche. Si ces particules énergétiques entrent en collision avec les anneaux, elles pourraient faire briller ceux-ci dans le domaine des rayons X. Une autre possibilité est que certains des rayons X détectés proviennent d’aurores polaires, un phénomène qui a déjà été observé sur cette planète à d’autres longueurs d’onde.

Des aurores polaires particulièrement complexes

Sur Terre, les aurores polaires se produisent lorsque des particules de haute énergie provenant du vent solaire interagissent avec la haute atmosphère ; des électrons énergétiques parcourent les lignes de champ magnétique de la planète jusqu’à ses pôles et sont freinés par l’atmosphère où ils sont déviés par les noyaux d’oxygène et d’azote. Or, toute charge dont la vitesse varie rayonne ; des rayons X sont alors émis dans ces aurores (par rayonnement de freinage et par fluorescence).

Des aurores polaires se produisent aussi sur Jupiter, mais les rayons X qui en émanent proviennent de deux sources : les spécialistes pensent que les aurores à rayons X de Jupiter sont principalement produites par la précipitation de particules des volcans sur sa lune Io ; d’autres observations, moins fréquentes, révèlent également des échanges de charge de particules du vent solaire avec l’atmosphère, tout comme sur Terre. Les scientifiques sont cependant moins certains de ce qui cause les aurores polaires sur Uranus. Les observations de Chandra pourraient aider à comprendre ce mystère.

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Uranus est une cible particulièrement intéressante pour les observations aux rayons X en raison des orientations inhabituelles de son axe de rotation et de son champ magnétique. Alors que les axes de rotation et de champ magnétique de la Terre, de Jupiter et de Saturne sont tous orientés presque perpendiculairement au plan écliptique (et donc à la direction du vent solaire), l’axe de rotation d’Uranus est presque parallèle à son plan orbital.

orientation champ magnétique Uranus
Le champ magnétique d’Uranus est décalé par rapport au centre géographique de la planète. © Yarl/Wikimedia Commons

En outre, alors qu’Uranus est inclinée sur le côté, son champ magnétique est lui aussi particulier : il n’a pas pour origine le centre géométrique de la planète, mais est décalé de près de 8 000 km de celui-ci (soit un tiers du rayon planétaire). De plus, il est incliné de 59° par rapport à l’axe de rotation. Cela produit une magnétosphère particulièrement variable, une relation complexe avec le vent solaire et par conséquent, des aurores polaires inhabituellement complexes.

Déterminer précisément l’origine des rayons X d’Uranus pourrait aider les astronomes à mieux comprendre comment des objets plus exotiques de l’espace, tels que les trous noirs en formation et les étoiles à neutrons, émettent eux aussi des rayons X.

Source : Journal of Geophysical Research: Space Physics, W.R. Dunn et al.

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