Des chercheurs utilisent le chasseur d'exoplanètes VLT pour étudier les vents de Jupiter

Pour la première fois, un instrument permettant de trouver des planètes à des années-lumière a été utilisé sur un objet du système solaire, dans le cadre d'une étude sur les vents de Jupiter.

Nous nous trouvons à une époque où il est devenu presque banal de découvrir des planètes en orbite autour d’une autre étoile, avec plus de 5 000 déjà recensées. Les premiers mondes lointains à intégrer cette liste étaient principalement des planètes géantes, similaires mais aussi très différentes à bien des égards de Jupiter et Saturne.

Les astrophysiciens ont déjà commencé à obtenir des données sur l’atmosphère des exoplanètes, mais des questions fondamentales sur l’atmosphère de la plus grande planète du système solaire restent encore sans réponse. Pour comprendre ce qui se passe dans les nuages ​​et les couches d'air de Jupiter, il est nécessaire de l'étudier au fil du temps par des observations continues.

Pour la première fois, un instrument développé pour trouver et analyser des mondes à des années-lumière, les exoplanètes, a été pointé vers une cible du système solaire, à 43 minutes-lumière de la Terre : la planète Jupiter.

Des chercheurs de l'Institut d'astrophysique et des sciences spatiales (IA) de la Faculté des sciences de l'Université de Lisbonne (Portugal) (Ciências ULisboa) ont utilisé le spectrographe ESPRESSO installé sur le télescope VLT de l'Observatoire européen austral (ESO) pour mesurer la vitesse du vent. sur Jupiter. Les résultats sont maintenant publiés dans la revue Univers.

La méthode développée par l'équipe s'appelle vélocimétrie Doppler et est basée sur la réflexion de la lumière visible du soleil par les nuages ​​​​dans l'atmosphère de la planète cible. Cette lumière réfléchie est courbée en longueur d'onde proportionnellement à la vitesse à laquelle les nuages ​​se déplacent par rapport au télescope sur Terre. Cela donne la vitesse instantanée du vent au point observé.

La méthode désormais utilisée avec ESPRESSO a été développée par le groupe de recherche sur les systèmes planétaires de l'IA, avec d'autres spectrographes, pour étudier l'atmosphère de Vénus. Les chercheurs mesurent les vents de cette planète voisine et contribuent depuis plusieurs années à la modélisation de son atmosphère générale.

L'application exploratoire de cette méthode avec un instrument « haut de gamme » tel qu'ESPRESSO a abouti à un succès qui ouvre de nouveaux horizons à la connaissance de notre voisinage cosmique. Ces travaux affirment la faisabilité de surveiller systématiquement les atmosphères les plus lointaines des planètes gazeuses.

Pendant cinq heures en juillet 2019, l'équipe a pointé le télescope VLT sur la zone équatoriale de Jupiter, où se trouvent les nuages ​​légers à une altitude plus élevée, et sur les ceintures équatoriales nord et sud de cette planète, qui correspondent à l'air descendant et qu'elle forme des bandes de nuages ​​sombres et plus chauds dans une couche plus profonde de l’atmosphère.

“L'atmosphère de Jupiter, au niveau des nuages ​​visibles de la Terre, contient de l'ammoniac, de l'hydrosulfure d'ammonium et de l'eau, qui forment des bandes rouges et blanches distinctes”, explique Pedro Machado, de l'IA et Ciências ULisboa. “Les nuages ​​supérieurs, situés dans le zone de pression de 0,6 à 0,9 bars, sont constitués de glace d'ammoniac. Les nuages ​​d'eau forment la couche la plus dense, la plus basse, et ont la plus forte influence sur la dynamique de l'atmosphère”, ajoute le chercheur.

Avec ESPRESSO, l'équipe a pu mesurer des vents sur Jupiter de 60 à 428 km/h avec une incertitude inférieure à 36 km/h. Ces observations, appliquées avec un instrument à haute résolution à une planète gazeuse, ont leurs défis : « L'une des difficultés était centrée sur la « navigation » sur le disque de Jupiter, c'est-à-dire savoir exactement vers quel point du disque de la planète nous pointions, en raison à l'énorme résolution du télescope VLT”, explique Pedro Machado.

“Dans la recherche elle-même, la difficulté était liée au fait qu'on déterminait les vents avec une précision de quelques mètres par seconde alors que la rotation de Jupiter est de l'ordre d'une dizaine de kilomètres par seconde à l'équateur et, pour compliquer les choses car c'est planète gazeuse, et non corps rigide, elle tourne à des vitesses différentes selon la latitude du point que l'on observe”, ajoute le chercheur.

Pour vérifier l’efficacité de la vélocimétrie Doppler des télescopes terrestres dans la mesure des vents sur Jupiter, l’équipe a également rassemblé des mesures obtenues dans le passé afin de comparer les résultats. La plupart des données existantes ont été collectées par des instruments spatiaux et ont utilisé une méthode différente, qui consiste à obtenir des valeurs moyennes de vitesse du vent en suivant la configuration des nuages ​​dans des images capturées à des moments proches.

La cohérence entre cet historique et les valeurs mesurées dans l'étude désormais publiée confirme la faisabilité de la mise en œuvre de la vélocimétrie Doppler dans un programme de surveillance des vents de Jupiter depuis la Terre.

La surveillance permettra à l'équipe de recherche de collecter des données sur l'évolution des vents au fil du temps et sera essentielle pour développer un modèle fiable de la circulation globale de l'atmosphère de Jupiter.

Ce modèle informatique devrait reproduire les différences de vents en fonction de la latitude et des tempêtes de Jupiter pour aider à comprendre les causes des phénomènes atmosphériques que nous observons sur cette planète. À l’inverse, le modèle permettra de préparer les futures observations avec des informations sur la pression et l’altitude des nuages ​​dans la visée du télescope.

L'équipe a l'intention d'étendre les observations avec ESPRESSO à une plus grande couverture du disque de la planète Jupiter, ainsi que de collecter temporellement des données sur le vent tout au long de la période de rotation de la planète, soit près de 10 heures. Restreindre les observations à certaines plages de longueurs d'onde permettra également de mesurer les vents à différentes altitudes, obtenant ainsi des informations sur le transport vertical des couches d'air.

Une fois la technique maîtrisée pour la plus grande planète du système solaire, l’équipe espère l’appliquer aux atmosphères d’autres planètes gazeuses, avec Saturne comme prochaine cible.

Le succès de ces observations avec ESPRESSO s'avère important à l'heure où son successeur, ANDES, est en cours de conception pour le futur Extremely Large Telescope (ELT), également de l'ESO et actuellement en construction au Chili, mais aussi pour la future mission JUICE, de l'Agence spatiale européenne, dédiée à Jupiter et qui fournira des données supplémentaires.