Interaction Io-Jupiter, sursauts radio, et potentiel électrique le long du tube de flux de Io
_____________________________________________________________________

Hess, S. and Zarka, P. and Mottez, F.,

Io-Jupiter interaction, millisecond bursts and field-aligned potentials

Planetary and Space Science
janvier 2007 volume 55, pages 89-99, doi: 10.1016/j.pss.2006.05.016 [preprint]

Jupiter est une source radio décamétrique intense (entre ~1 MHz et 40 MHz). Ses émissions les plus intenses sont liées à l'interaction entre le champ magnétique de la planète et le satellite Io. Du fait de son volcanisme actif, ce dernier éjecte ~1 tonne de matière par seconde qui forme, après ionisation, un tore de plasma le long de l'orbite de Io. Ce tore est entraîné par le champ magnétique jovien (B) 4 fois plus vite que le mouvement orbital de Io. La vitesse relative (v) entre Io et le plasma induit un champ électrique (E=-v x B). Au passage du satellite, le plasma est accéléré et injecté dans le tube de flux magnétique reliant Io à Jupiter. S'il n'y a pas d'échange d'énergie ultérieur avec le milieu ambiant, les particules du plasma suivent un mouvement dit « adiabatique », au cours duquel l'énergie cinétique totale (W=½mv ²) et le moment magnétique (µ, proportionnel à vperp²/B) restent constants. Lorsque la particule se rapproche de Jupiter, l'intensité du champ magnétique augmente, donc la vitesse perpendiculaire des particules aussi (conservation de µ), mais comme la vitesse totale ne change pas (conservation de W), la vitesse parallèle diminue. Pour une certaine intensité du champ la vitesse parallèle devient nulle, et la particule rebrousse chemin : c'est l'effet miroir magnétique, et le point de rebroussement est le point miroir. La position de ce point ne dépend que de l'angle initial (à l'équateur, par exemple) entre v et B et non de l'énergie de la particule. Dans le cas du tube de flux de Io, les particules d'angle d'attaque équatorial =2° ont un point miroir situé au dessous de la surface de la planète. Elles atteignent donc l'atmosphère de Jupiter, où elles sont perdues par collision avec les atomes et molécules atmosphériques en engendrant des émissions dans l'UV, le visible, et l'IR. La distribution en vitesses des électrons réfléchis par le champ magnétique Jovien présente donc une région vide pour les faibles angles (v,B), appelée « cône de perte ». Une telle distribution peut amplifier les ondes radio à la fréquence cyclotron électronique locale (fréquence de giration des électrons autour du champ magnétique). Les « sursauts millisecondes » de Jupiter ( Figure 1 ) sont des émissions radio attribuées à ce mécanisme que l'on peut détecter à l'aide de radiotélescopes décamétriques au sol. Ils sont brefs, intenses, et discrets (isolés les uns des autres) dans le plan temps-fréquence, avec une dérive généralement négative (la fréquence décroît avec le temps durant un sursaut). Cette dérive peut résulter du mouvement adiabatique d'électrons s'éloignant de la planète. Combinée à un modèle du champ magnétique Jovien, elle permet d'obtenir l'énergie parallèle (W // ) des électrons, qui doit décroître linéairement avec la fréquence d'émission radio si leur mouvement est bien adiabatique.

	Figure 1 Sursauts radio millisecondes dans le plan temps-fréquence observés à Nançay.
Nous avons analysé 230 observations à haute résolution temporelle et spectrale de ces émissions (3 ms x 50 kHz), enregistrées par le réseau décamétrique de Nançay entre 1995 et 1996. Nous obtenons dans la majorité des cas une variation linéaire de W // avec la fréquence ( Figure 2a ), révélant le mouvement adiabatique d'électrons dont nous mesurons l'énergie totale (4 keV en moyenne) et l'angle (v,B) à l'équateur ( légèrement supérieur à 2°, ce qui place leur point miroir juste au-dessus de la surface de Jupiter) . Dans 15% des cas, un décrochement brutal entre deux segments linéaire et parallèles de variation de W // révèle pour la première fois l'existence d'accélérations localisées purement parallèles, associées à des sauts de potentiel d'environ 1 kV le long du tube de flux de Io ( Figure 2b ). De tels sauts de potentiel ont été mesurés in-situ dans les zones aurorales de la magnétosphère terrestres, et apparaissent dans les simulations numériques du tube de flux reliant Io à Jupiter [1].
	Figure 2 Energie parallèle mesurée en fonction de la fréquence radio, traduisant (a) un mouvement purement adiabatique des électrons émetteurs, et (b) un saut de potentiel de ~0.6 kV.
Nous avons montré que des observations à hautes résolutions –temporelle et spectrale, mais pas angulaire– depuis le sol, à 5 unités astronomiques de la source, permettent de mesurer précisément les vitesses parallèle et perpendiculaire des électrons émetteurs et de reconstituer le profil du potentiel électrique le long du tube de flux de Io. Ces mesures sont précieuses pour contraindre les modèles de populations de particules dans les zones aurorales de Jupiter, leurs processus d'accélération, les mécanismes d'émission radio dans ces mêmes zones, et permettre de les comparer aux zones aurorales terrestres. [1] Su, Y.-J., Ergun, R. E., Bagenal, F., Delamere, P. A., Feb. 2003. Io-related Jovian auroral arcs: Modeling parallel electric fields. Journal of Geophysical Research (Space Physics) 108 (A2), 15–1.

_____________________________________________________________________________
Contact: S. Hess	haut de page	autres publications