Observatoire de Paris Institut national de recherche scientifique français Univerité Pierre et Marie Curie Université Paris Diderot - Paris 7

Le télescope spatial James Webb découvre un nouveau phénomène dans l’atmosphère de Jupiter

Un courant-jet étroit près de l’équateur parcouru par des vents soufflant à 450 km/h

jeudi 19 octobre 2023

Jupiter possède des caractéristiques atmosphériques parmi les plus remarquables de notre système solaire. La Grande Tache rouge de la planète, suffisamment grande pour englober la Terre, est presque aussi connue que certaines rivières et montagnes de notre propre planète. Cependant, tout comme la Terre, Jupiter est en constante évolution et il nous reste encore beaucoup à apprendre sur cette planète. Le télescope spatial James Webb est en train de percer certains de ces mystères, révélant de nouvelles caractéristiques de Jupiter que nous n’avions jamais vues auparavant, notamment un courant-jet à grande vitesse au-dessus de l’équateur de la planète. Bien que le courant-jet ne soit pas aussi apparent ou spectaculaire que certaines autres structures de Jupiter, il fournit aux chercheurs des informations uniques sur la façon dont les couches de l’atmosphère de la planète interagissent les unes avec les autres, et sur la façon dont le télescope Webb contribuera à ces recherches à l’avenir.

Une découverte tout à fait inattendue

Le télescope spatial James Webb (JWST) a découvert un nouveau phénomène dans l’atmosphère de Jupiter. Un courant-jet très rapide qui s’étend sur plus de 4500 km de large, se situe au nord de l’équateur de Jupiter, au-dessus des principales couches nuageuses. La découverte de ce jet permet de mieux comprendre comment les couches de l’atmosphère de Jupiter, très turbulentes, interagissent les unes avec les autres. Le JWST offre des capacités uniques pour suivre ces structures dans la circulation atmosphérique de Jupiter.

« C’est quelque chose qui nous a totalement surpris », a déclaré Ricardo Hueso, de l’Université du Pays basque à Bilbao (Espagne), auteur principal de l’article décrivant les résultats. « Ce que nous avons toujours vu comme des brumes diffuses dans l’atmosphère de Jupiter apparaît maintenant comme une structure très contrastée que nous pouvons suivre en même temps que la rotation rapide de la planète ».

Une analyse fine des données de NIRCam pour en comprendre les fondements

L’équipe de recherche a analysé des données de la caméra NIRCam (Near-Infrared Camera) du JWST prises en juillet 2022. Le programme, dirigé conjointement par Imke de Pater de l’Université de Californie à Berkeley et Thierry Fouchet de l’Observatoire de Paris-PSL, a été conçu pour prendre des images de Jupiter à 10 heures d’intervalle, soit un jour (une rotation) de Jupiter, dans quatre filtres différents, chacun étant capable de détecter les changements de la structure nuageuse à différentes altitudes dans l’atmosphère de la planète.

« Même si plusieurs télescopes terrestres, des missions spatiales comme Juno et Cassini, et le télescope spatial Hubble observent depuis longtemps l’évolution du système jovien, JWST a déjà prouvé qu’il est capable aussi d’apporter des données uniques et inédites sur l’atmosphère de Jupiter, ses anneaux et ses satellites » note Imke de Pater.

Si Jupiter est très différente de la Terre sur de nombreux points – Jupiter est une planète géante gazeuse et la Terre une planète rocheuse – les deux planètes possèdent des atmosphères stratifiées verticalement. Les images dans le domaine visible, ultraviolet et infrarouge prises par ces autres observatoires ne détectent que les couches nuageuses profondes de l’atmosphère jovienne, constituées de glace d’eau et d’ammoniac, dans lesquelles se produisent de gigantesques tempêtes

En revanche, grâce à sa sensibilité hors du commun, les observations de JWST dans le proche infrarouge sont sensibles aux couches atmosphériques situées à haute altitude, à environ 25-50 kilomètres au-dessus du sommet des nuages de Jupiter. En imagerie proche infrarouge, les brumes de haute altitude apparaissent généralement floues, et plus brillantes dans la région équatoriale. Avec JWST, des détails plus fins sont résolus à l’intérieur de cette bande de brume équatoriale.

« En suivant les structures de la brume entre deux rotations de Jupiter, nous pouvons en déduire la vitesse des vents dans l’atmosphère de la planète. Si vous observez un nuage au-dessus de Brest un jour et au-dessus de Strasbourg le lendemain, vous savez que les vents l’ont transporté sur environ 1000 km en 24h, et donc vous pouvez en déduire la vitesse des vents », explique Thierry Fouchet de l’Observatoire de Paris-PSL.

Une meilleure compréhension de l’atmosphère équatoriale de Jupiter

Le jet récemment découvert se déplace à une vitesse d’environ 450 km/h, soit deux fois la vitesse des vents d’un ouragan de catégorie 5 sur Terre. Il est situé à environ 40 kilomètres d’altitude, dans la basse stratosphère de Jupiter, juste au-dessus des brumes de la troposphère, près de la limite entre les deux couches.

En comparant les vents observés par JWST à haute altitude à ceux observés par Hubble dans les couches plus profondes, l’équipe a pu mesurer l’évolution de la vitesse des vents avec l’altitude, encore appelée gradient ou cisaillement.

Si l’extrême résolution spatiale de JWST et sa couverture en longueur d’onde ont permis de détecter les caractéristiques fines de la brume utilisées pour mesurer la vitesse du jet, les observations complémentaires de Hubble effectuées un jour après celles de JWST ont également été cruciales pour déterminer l’état de base de l’atmosphère équatoriale de Jupiter et observer le développement de tempêtes convectives dans la région équatoriale de Jupiter qui ne sont pas liées au jet.

« Nous savions que les différentes longueurs d’onde de JWST et de Hubble révéleraient la structure tridimensionnelle des nuages d’orage, mais nous avons également pu utiliser la synchronisation des données pour voir à quelle vitesse les orages se développent », a ajouté Michael Wong, membre de l’équipe.

De nouvelles découvertes à venir grâce au JWST

Les chercheurs attendent avec impatience d’autres observations de Jupiter avec JWST pour déterminer si la vitesse et l’altitude du jet changent avec le temps.

« Jupiter présente un schéma complexe mais périodique des vents et des températures dans sa stratosphère équatoriale, bien au-dessus des nuages et des brumes observées par JWST », a expliqué Leigh Fletcher, membre de l’équipe, de l’université de Leicester au Royaume-Uni. « Si la force de ce nouveau jet est liée à ce modèle stratosphérique oscillant, nous pouvons nous attendre à ce que le jet varie considérablement au cours des 2 à 4 prochaines années - il sera vraiment passionnant de tester cette théorie dans les années à venir ».

« Il est étonnant qu’après des années de suivi des nuages et des vents de Jupiter à partir de nombreux observatoires, ce nouveau jet ait pu rester caché jusqu’à ce que ces nouvelles images NIRCam soient prises en 2022 », a poursuivi M. Fletcher.

Ces résultats ont été récemment publiés dans la revue Nature Astronomy.

Le télescope spatial James Webb est le premier observatoire en sciences spatiales au monde. JWST résout les mystères de notre système solaire, regarde vers des mondes lointains autour d’autres étoiles, et sonde les structures mystérieuses et les origines de notre univers et la place que nous y occupons. JWST est un programme international dirigé par la NASA et ses partenaires, l’ESA (Agence spatiale européenne) et l’Agence spatiale canadienne.

En complément, lien vers le site de l’ESA  :

https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Webb/Webb_pinpoints_a_high-speed_jet_stream_on_Jupiter

Images en fausses couleurs de Jupiter prises par la caméra NIRCam et leurs paragraphes explicatifs

Image de Jupiter en fausses couleurs
Image de Jupiter en fausses couleurs

Crédits : NASA, ESA, CSA, STScI, Ricardo Hueso (UPV), Imke de Pater (UC Berkeley), Thierry Fouchet (Observatoire de Paris-PSL), Leigh Fletcher (Université de Leicester), Michael H. Wong (UC Berkeley), Joseph DePasquale

Cette image de Jupiter prise par la caméra NIRCam (Near-Infrared Camera) du télescope spatial James Webb montre des détails étonnants de la majestueuse planète en infrarouge. Sur cette image en fausses couleurs, la lumière solaire réfléchie par les nuages apparaît blanche. Ainsi, la luminosité indique une altitude des nuages élevée, le sombre des couches nuageuses profondes. Les nombreuses "taches" et "traînées" d’un blanc éclatant sont probablement des sommets de nuages de très haute altitude résultant d’orages convectifs. En revanche, les bandes sombres situées au nord de la région équatoriale présentent une faible couverture nuageuse. Des aurores, qui apparaissent en rouge sur cette image, s’étendent à des altitudes plus élevées au-dessus des pôles nord et sud de la planète. Ces aurores sont à l’origine de brumes de très hautes altitudes qui apparaissent en vert dans les régions polaires.

Le jet stream équatorial de Jupiter vu par NIRCam
Le jet stream équatorial de Jupiter vu par NIRCam

Crédits : NASA, ESA, CSA, STScI, Ricardo Hueso (UPV), Imke de Pater (UC Berkeley), Thierry Fouchet (Observatoire de Paris-PSL), Leigh Fletcher (Université de Leicester), Michael H. Wong (UC Berkeley), Joseph DePasquale (STScI)

Les images de Jupiter prises par la caméra NIRCam (Near-Infrared Camera) du télescope spatial James Webb de la NASA ont permis aux chercheurs de découvrir un courant-jet à grande vitesse à l’équateur de la planète, au-dessus des principaux sommets nuageux. À une longueur d’onde de 2,12 microns, qui sonde des altitudes d’environ 20-35 kilomètres au-dessus du sommet des nuages de Jupiter, les chercheurs ont repéré plusieurs cisaillements du vent, c’est-à-dire des zones où la vitesse du vent varie en fonction de la hauteur ou de la distance, permettant de suivre le jet. Cette image met en évidence plusieurs caractéristiques autour de la zone équatoriale de Jupiter qui, au cours d’une rotation de la planète (10 heures), sont très clairement perturbées par le mouvement du courant-jet.

Les vents sur Jupiter
Les vents sur Jupiter

Crédits : NASA, ESA, CSA, STScI, Ricardo Hueso (UPV), Imke de Pater (UC Berkeley), Thierry Fouchet (Observatoire de Paris-PSL), Leigh Fletcher (Université de Leicester), Michael H. Wong (UC Berkeley)

Le courant-jet découvert par le télescope spatial James Webb de la NASA se déplace au-dessus de l’équateur de Jupiter, au-dessus des principaux ponts nuageux. Le jet se déplace à 515 kilomètres par heure. Il est situé à environ 40 kilomètres d’altitude, dans la basse stratosphère de Jupiter, juste au-dessus des nuages troposphériques, à la limite entre les couches. Jupiter possède une atmosphère à plusieurs couches, et cette illustration montre comment Webb est capable de collecter des informations sur des couches d’altitude plus élevées qu’auparavant. Les scientifiques ont pu utiliser Webb pour identifier la vitesse des vents à différentes couches de l’atmosphère de Jupiter afin d’isoler le jet à grande vitesse. Les observations de Jupiter ont été effectuées à 10 heures d’intervalle, soit un jour de Jupiter, dans trois filtres différents, notés ici, chacun étant capable de détecter des changements dans de petites caractéristiques à différentes altitudes de l’atmosphère de Jupiter.