Cassini révèle des reconnexions magnétiques dans la partie diurne de Saturne


©ESA

Des données capturées par la sonde Cassini et analysées notamment par des chercheurs de l’ULiège ont révélé pour la première fois qu'un phénomène appelé reconnexion magnétique - qui sur Terre peut perturber les signaux GPS et endommager les réseaux électriques - peut se produire du côté jour de Saturne, bien à l’intérieur de la magnétopause, la frontière séparant les populations de plasma interplanétaire et planétaire. Cette découverte est surprenante, car les scientifiques pensaient auparavant que la reconnexion magnétique côté jour ne pouvait se produire qu’au niveau de la magnétopause et que la rotation rapide de la planète ne permettait pas la reconnexion en face du Soleil. Ces résultats font l’objet d’une publication dans la revue Nature Astronomy(1).

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e champ magnétique de la Terre - généré par la rotation du noyau métallique en fusion de la planète - affecte les particules chargées dans l'environnement de la planète. Lorsque le champ magnétique planétaire interagit avec le flux de particules magnétisées provenant du Soleil (par exemple lors d'une éruption solaire), les lignes de champ magnétique de la Terre peuvent temporairement se rompre et se connecter aux champs magnétiques entrants qui changent de direction. Au cours de ce processus, les champs magnétiques interplanétaires et les particules chargées sont transférés du Soleil à la magnétosphère planétaire et s'accumulent dans la magnétosphère nocturne, appelée magnéto-queue. Comme de plus en plus d'énergie s'accumule dans la magnéto-queue, la reconnexion magnétique se produit côté nuit pour libérer l'énergie excédentaire et exciter les particules, ce qui peut : produire de magnifiques aurores polaires, perturber les signaux GPS, endommager les satellites ou même les réseaux électriques terrestres.

«La reconnexion magnétique est un processus clé qui peut connecter le champ magnétique du Soleil, intégré dans le vent solaire, à celui de la Terre, à la limite de sa magnétosphère », explique Zhonghua Yao, chercheur postdoctoral COFUND Marie-Curie à au LPAP - STAR co-auteur principal de la publication. La reconnexion magnétique décrit le processus par lequel les champs magnétiques antiparallèles entrent en collision et libèrent de l'énergie. À l'intérieur de la magnétosphère de la Terre, ces reconnexions ne se produisent que du côté de opposé au Soleil, dans la magnéto-queue, qui contient un fin feuillet de plasma avec un courant électrique circulant de l'aube au crépuscule. Selon la loi d'Ampère, le feuillet de courant mince introduit naturellement des champs magnétiques antiparallèles, ce qui fournit des conditions favorables à la reconnexion magnétique." À la différence de la Terre, la rotation rapide de la magnétosphère de Saturne expulse les particules chargées de la planète et forme un disque de plasma tout autour de Saturne, tandis que dans le cas de la Terre il est limité au côté nuit. En raison de la compression par le vent solaire, la partie du magnétodisque faisant face au Soleil est supposée être plus épaisse que du côté nuit, et  ne devrait donc pas être un endroit idéal pour la reconnexion. Une question de longue date est de savoir si la compression du vent solaire pourrait ou non empêcher complètement l'apparition d'une reconnexion magnétosphérique diurne. Jusqu’à présent, l’étude de la base de données de Cassini, qui a exploré la magnétosphère de Saturne pendant plus de 10 ans, n’a pas permis de mettre en évidence des événements de reconnexion diurne. Ainsi, personne n’a vraiment considéré que la reconnexion diurne pouvait produire une accélération des particules. Cela a conduit à une grande difficulté à expliquer les particules énergétiques observées dans la magnétosphère diurne et la pulsation aurorale côté jour.

Cassini Mag reconnection
Vue d'artiste d'un événement de reconnexion magnétique détecté par la mission internationale Cassini à Saturne. La courbe orange est le choc formé par le vent solaire (venant du côté gauche) lorsqu'il rencontre la magnétosphère de Saturne ; la courbe grise est la magnétopause, la limite séparant la magnétosphère (à sa droite) du plasma environnant ; les lignes bleues sont des lignes de champ magnétique dans la magnétosphère de la planète. Crédit : ESA

Les  scientifiques s’attendaient à ce que les magnétosphères d’autres planètes se comportent de façon similaire à celle de la Terre, jusqu’à ce qu’ils analysent certaines données envoyées par la sonde spatiale Cassini et qui montraient, pour la première fois, des preuves d'une reconnexion magnétique se produisant du côté diurne d'une planète, loin de la magnétopause. Repérer l’évènement n’a pourtant pas été facile.

"Pour détecter un événement de reconnexion, il faut observer le changement de direction du champ magnétique après la reconnexion, mais aussi obtenir la preuve de l'accélération ultérieure des particules ", explique le jeune chercheur. "De plus la région où se produit la reconnexion est très petite et l'instrument doit être pointé exactement dans cette direction. Il faut être très chanceux."

Reconnexion diurne

Une question demeure pourtant … Comment est-il possible que ce phénomène se produise du côté diurne de la planète? La magnétosphère de Saturne, comme celle de la Terre, est beaucoup plus épaisse du côté jour, ce qui devrait la protéger des interférences extérieures. « Nous pensons que la reconnexion magnétique observée à Saturne est produite par un mécanisme totalement différent de celui de la Terre, explique Denis Grodent, directeur du LPAP et du STAR Institute. « Dans la magnétosphère de la Terre, la reconnexion est uniquement due à l'interaction avec le vent solaire. Sur Saturne, le phénomène pourrait être causé par la propre rotation de la planète. »  En effet, la magnétosphère de Saturne a une structure différente de celle de la Terre car elle tourne d’un seul tenant tandis que pour la Terre cette rotation est limitée à une petite région, proche de la planète.

« Bien que plus de 760 fois plus grande que la Terre, Saturne effectue une rotation en une dizaine d'heures, contre 24 heures pour la Terre. Comme sa magnétosphère tourne avec la planète, elle interagit constamment avec les magnétosphères des lunes de Saturne et d'autres corps dans l'environnement de la planète. Dans le système de Saturne, la lune Encelade et son activité volcanique éjectent beaucoup d'eau. « Comme cette eau est ionisée, elle remplit la magnétosphère de Saturne avec des ions lourds qui interagissent avec les lignes de champ magnétique en rotation. Lorsque ces lignes changent de configuration, lors d'un événement de reconnexion par exemple, ce plasma est libéré et accéléré », explique Nicolas Altobelli, responsable scientifique du projet ESA Cassini.

Dans les années à venir, les scientifiques s'attendent à trouver plus d'événements similaires dans le trésor de données générées par Cassini, qui a conclu sa mission en septembre dernier avec une plongée épique dans l'atmosphère de Saturne, après avoir étudié la planète et son environnement pendant 13 ans. ( Lire : Cassini, clap de fin ! )

"Jusqu'à présent, nous n'avons fait qu'effleurer la surface de ce que nous pouvons trouver avec l'instrument CAPS (Cassini Plasma Spectrometer). Nous pouvons maintenant examiner les données et voir s'il y a d'autres exemples. Nous avons un ensemble de données très riche qui nous occupera pendant des années, se réjouit Andrew Coates, co-auteur de University College London, Royaume-Uni, qui est co-investigateur du spectromètre à électrons Cassini CAPS utilisé dans l'étude..

Jupiter est l’autre magnétosphère géante qui est pour le moment visitée par la sonde NASA Juno. Après toutes ces années d'analyse des données de Cassini sur Saturne, le scientifiques sauront directement où et quoi chercher sur la plus grosse planète de notre système solaire. Quid pour Uranus, Neptune et beaucoup d'exoplanètes en rotation rapide, qui pourraient aussi avoir des magnétosphères qui produisent des reconnexions par rotation du côté dirune.

Référence scientifique

(1) R. L. Guo, Z. H. Yao, et al., "Rotationally driven magnetic reconnection in Saturn’s dayside", Nature Astronomy, June 4 2018.

Contacts

Laboratoire de Physique Atmosphérique et Planétaire (LPAP) - Space sciences, Technologies and Astrophysics Research (STAR Institute)

Zhonghua YAO -  zhonghua.yao@uliege.be

Denis GRODENT – d.grodent@uliege.be

Benjamin PALMAERTS – b.palmaerts@uliege.be

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