Des différences surprenantes entre Jupiter et Saturne

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Une utilisation judicieuse des signaux radioélectriques provenant de vaisseaux spatiaux planétaires permet aux chercheurs de percer les nuages ​​tourbillonnants qui cachent les intérieurs de Jupiter et de Saturne, où la pression écrasante transforme la matière en états inconnus sur Terre.

Ces deux planètes sont plus complexes

L’effort, dirigé par Luciano Iess de l’Université Sapienza de Rome, a transformé les signaux de deux sondes de la NASA, Cassini pour Saturne et Juno pour Jupiter, qui mesurent les variations gravitationnelles qui prennent leur source au fond de ces géantes gazeuses.

Ce que les chercheurs ont découvert alimente un jeu de comparaison et de contraste élevés. Les résultats, publiés l’année dernière dans Nature pour Jupiter et cette semaine dans Science pour Saturne, montrent que « les deux planètes sont plus complexes que nous le pensions », a déclaré Ravit Helled, scientifique en sciences planétaires à l’Université de Zurich en Suisse. « Ces planètes géantes ne sont pas de simples billes d’hydrogène et d’hélium. »

Dans les années 1980, Iess a contribué à la création d’un instrument radio pour Cassini qui fournissait un signal exceptionnellement clair, car il fonctionnait dans la bande Ka, qui est relativement dépourvue de bruit provenant du plasma interplanétaire. En surveillant les fluctuations du signal, l’équipe envisageait de rechercher les ondes gravitationnelles du cosmos et de tester la relativité générale pendant le voyage du satellite vers Saturne, qui avait débuté en 1997. Le groupe Iess avait installé un dispositif similaire sur Juno, lancé en 2011, Le but était d’étudier l’intérieur de Jupiter.

Juno parcourt la surface de Jupiter tous les 53 jours, et à chaque passage, des influences cachées à l’intérieur de la planète exercent une traction minime sur le vaisseau spatial, ce qui entraîne de minuscules décalages Doppler dans ses signaux radio. Initialement, Iess et son équipe pensaient que mesurer ces changements ne serait pas réalisable pour Saturne en raison de l’influence gravitationnelle de ses anneaux.

La « Grande Finale » a permis de cartographier la forme des champs de gravité

Mais cet obstacle a disparu plus tôt dans la décennie, après que l’équipe de Cassini eut décidé de mettre fin à la mission en envoyant l’engin sur une série d’orbites baptisées « Grande Finale », qui plongeaient au-dessous des anneaux et éliminaient leurs effets. En conséquence, Iess et ses collègues pouvaient utiliser les fluctuations radioélectriques pour cartographier la forme des champs de gravité de cette planète, leur permettant ainsi de déduire la densité et les mouvements du matériau à l’intérieur.

L’un des objectifs était de sonder les racines des vents puissants balayaient les nuages ​​de gaz des géantes gazeuses en bandes horizontales distinctes. Les scientifiques ont supposé que ces vents seraient soit peu profonds, comme des vents sur Terre, ou très profonds, pénétrant dans des dizaines de milliers de kilomètres dans les planètes, où une pression extrême devrait déchirer les électrons de l’hydrogène, le transformant en un conducteur métallique.

Les résultats pour Jupiter étaient un casse-tête: les vents soufflant à 500 km/h et n’étaient pas superficiels; ils se situaient à peine à 3000 km de la planète, soit environ 4% de son rayon. Saturne a ensuite livré un mystère différent: malgré son volume réduit, ses vents en surface, qui culminent à 1 800 km/h, étaient trois fois plus profonds, à au moins 9 000 km. « Tout le monde a été pris par surprise », explique Iess.

Les scientifiques pensent que l’explication de ces deux découvertes réside dans les champs magnétiques profonds de ces planètes. À des pressions environ 100 000 fois supérieures à celles de l’atmosphère terrestre, loin de celles qui créent de l’hydrogène métallique, l’hydrogène s’ionise partiellement et en fait un semi-conducteur.

Le noyau de Jupiter a une frontière floue

Cela permet au champ magnétique de contrôler le mouvement du matériau, l’empêchant de traverser les lignes de champ. « Le champ magnétique gèle le flux » et la planète devient rigide, explique Yohai Kaspi, scientifique en sciences planétaires à l’Institut scientifique Weizmann de Rehovot, en Israël, qui a travaillé avec Iess. Jupiter a une masse trois fois supérieure à celle de Saturne, ce qui entraîne une augmentation beaucoup plus rapide de la pression atmosphérique, environ trois fois plus rapide. « C’est fondamentalement le même résultat », dit Kaspi, mais la rigidité s’installe à une profondeur moindre.

Les données de Juno et de Cassini ne fournissent que de faibles indices sur les profondeurs extrêmes. Les scientifiques ont déjà cru que les géantes gazeuses se formaient un peu comme la Terre, construisant un noyau rocheux avant d’aspirer le gaz du disque protoplanétaire. Un tel processus aurait probablement conduit à des couches distinctes, y compris un noyau enrichi en éléments plus lourds.

Mais les mesures de Juno, interprétées à l’aide de modèles, suggéraient que le noyau de Jupiter n’avait qu’une frontière floue, ses éléments lourds s’effilant jusqu’à la moitié de son rayon. Cela suggère que, plutôt que de former un noyau rocheux et d’ajouter du gaz, Jupiter aurait pu prendre forme dès le départ à partir de gaz et de roches vaporisés, explique Nadine Nettelmann, scientifique en sciences planétaires à l’université de Rostock en Allemagne.

Les résultats pour Saturne sont encore plus étranges

Les résultats sont encore plus troubles pour Saturne. Les données de Cassini suggèrent que son noyau pourrait avoir une masse d’environ 15 à 18 fois celle de la Terre, avec une concentration d’éléments lourds supérieure à celle de Jupiter, ce qui pourrait suggérer une frontière plus claire. Mais cette interprétation n’est que provisoire, déclare David Stevenson, scientifique en sciences planétaires à la California Institute of Technology de Pasadena et co-chercheur de Juno.

De plus, Cassini était tiré par quelque chose de profond à l’intérieur de Saturne que les vents ne pouvaient pas expliquer, nous dit Iess. « Nous l’appelons le côté obscur de la gravité de Saturne. » Peu importe ce qui cause ce remorqueur, ajoute Stevenson, il ne s’y trouve pas sur Jupiter. « C’est un résultat majeur. Je ne pense pas que nous le comprenions pour le moment. »

Parce que la mission de Cassini s’est terminée par la « Grande Finale », qui a abouti à la destruction de la sonde dans l’atmosphère de Saturne, « il n’y aura pas de meilleure mesure de si tôt », a déclaré Chris Mankovich, scientifique planétaire à l’Université de Californie, Santa Cruz. Mais bien que les anneaux aient compliqué les mesures de sa gravité, ils offrent également une grande opportunité.

Pour une raison inconnue – peut-être ses vents, peut-être l’attraction de ses nombreuses lunes – Saturne vibre. L’influence gravitationnelle de ces oscillations dénature la forme de ses anneaux en un motif semblable aux bras en spirale d’une galaxie. Ce résultat est un enregistrement visible des vibrations, comme la trace sur un sismographe, que les scientifiques peuvent déchiffrer pour sonder la planète.

Mankovich explique qu’il est clair que certaines de ces vibrations atteignent l’intérieur de cette planète. Il a déjà utilisé la « sismologie en anneau » pour évaluer la vitesse de rotation de l’intérieur de Saturne.

Les anneaux sont âgés de 10 millions d’années

Le dernier cadeau de Cassini est peut-être de montrer à quel point les scientifiques ont la chance d’avoir les anneaux comme sondes. Les données des orbites finales de l’engin spatial ont permis à l’équipe d’Iess de montrer que la masse des anneaux était faible, ce qui signifie qu’ils doivent être jeunes; âgés d’à peine 10 millions d’années. Sinon, la suie interplanétaire les aurait assombri.

L’équipe de Cassini a découvert que les matériaux continuent de tomber sur Saturne, ce qui pourrait un jour entraîner leur disparition. Mais pour le moment, ils sont brillants avec de longues d’histoires à raconter.

Source : Science

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