Une équipe de recherche de l'Université de Northumbria au Royaume-Uni a utilisé le télescope spatial James Webb (JWST) le plus avancé pour fournir une réponse clé à un problème qui laisse perplexe la communauté scientifique planétaire depuis des décennies : pourquoi la vitesse de rotation de Saturne semble-t-elle « changer » en fonction des différentes méthodes de mesure ?

La dernière recherche publiée dans le "Journal of Geophysical Research: Space Physics" a cartographié pour la première fois des images détaillées de la température et de la distribution des particules chargées dans les aurores de Saturne, montrant que ce phénomène provient d'un système de rétroaction continu et autonome piloté par les aurores de Saturne, créant ainsi l'illusion de "changements de taux de rotation" dans les données d'observation.

Le comportement inhabituel de Saturne a intrigué les astronomes pendant des décennies. Les données obtenues par les détecteurs représentés par la sonde Cassini vers 2004 ont montré que la période de rotation de Saturne semble changer avec le temps. Ce résultat est en contradiction avec la compréhension physique traditionnelle selon laquelle la rotation globale de la planète devrait rester stable sur de longues échelles de temps. En 2021, une étude menée par Tom Stallard, professeur d'astronomie planétaire à l'université de Northumbria, a donné un indice important : ce qui change réellement, ce n'est pas la vitesse de rotation de la planète elle-même, mais le champ de vent à grande vitesse dans la haute atmosphère. Ces vents génèrent des courants dans la haute atmosphère, qui à leur tour affectent les signaux auroraux, donnant l'impression que la « mesure de rotation » basée sur les ondes électromagnétiques aurorales est en train de changer.

Cependant, cette explication elle-même soulève de nouvelles questions : si les vents de haute altitude entraînent les courants, comment ces vents sont-ils « enflammés » et entretenus en premier lieu ?

Les dernières observations du JWST fournissent une pièce manquante du puzzle. L'équipe de Stallard s'est associée à plusieurs institutions au Royaume-Uni et aux États-Unis pour utiliser JWST afin de surveiller en permanence la zone des aurores au pôle nord de Saturne - similaire aux aurores boréales sur Terre - couvrant un «jour de Saturne» complet et a obtenu des données d'observation avec une résolution spatiale et temporelle sans précédent. Les chercheurs se sont concentrés sur l’analyse du rayonnement infrarouge d’une molécule appelée cation trihydrogène (H₃⁺) dans la haute atmosphère de Saturne. Cette molécule est une « sonde » naturelle des changements de température et peut être utilisée pour inverser les conditions de chauffage atmosphérique et la distribution de la densité des particules.

Les précédentes observations au sol et orbitales ont mesuré des températures avec une incertitude d’environ 50 degrés Celsius, ce qui correspond à peu près aux fluctuations de température que les chercheurs tentent de résoudre, et ne peuvent être moyennées que sur un large éventail de régions polaires. Les données JWST améliorent cette précision d'environ un ordre de grandeur, permettant aux scientifiques de résoudre pour la première fois les structures locales détaillées de chauffage et de refroidissement dans la région aurorale.

Les observations concordaient bien avec un modèle numérique développé il y a plus de dix ans, mais seulement si la principale source de chaleur était placée avec précision dans la région où les aurores s'enfoncent dans l'atmosphère, où les particules chargées « s'écrasent » dans la haute atmosphère le long des lignes de champ magnétique. Cela montre que les aurores de Saturne ne sont pas seulement une scène optique spectaculaire, mais aussi une puissante source d'énergie locale : les particules aurorales se déposent et déposent de l'énergie dans une plage de hauteur spécifique, augmentant les températures atmosphériques locales, entraînant ainsi des champs de vent à haute altitude. Ces vents stimuleront les courants dans la zone d'interface entre la magnétosphère de la planète et l'atmosphère. Les courants fournissent à leur tour de l'énergie aux aurores, leur permettant de maintenir et de continuer à réchauffer l'atmosphère pendant une longue période, formant un cycle fermé de « aurore-chauffage-vent-courant-aurore ».

Stallard a clairement comparé ce processus à « une pompe à chaleur planétaire » : l'aurore chauffe l'atmosphère, l'atmosphère entraîne le vent, le vent génère du courant électrique, et le courant électrique renvoie l'aurore, et le système est autosuffisant et fonctionne encore et encore. C'est ce système de rétroaction fonctionnant de manière stable qui fait dériver le « taux de rotation » calculé sur la base des signaux électromagnétiques auroraux au fil du temps, donnant l'impression que la rotation de Saturne elle-même change lentement.

L’importance de cette recherche va au-delà de l’explication du mystère de la « rotation à vitesse variable » de Saturne. Les résultats montrent qu'il existe un lien étroit entre l'atmosphère de Saturne et sa magnétosphère : les processus atmosphériques peuvent chasser le courant et l'énergie vers l'extérieur, modifiant ainsi l'environnement de la magnétosphère, tandis que l'énergie et les particules de la magnétosphère peuvent se stabiliser à nouveau, transportant l'énergie vers l'atmosphère. Ce mécanisme d’échange bidirectionnel d’énergie et d’impulsion pourrait être la clé de la stabilité à long terme de signaux anormaux comme celui de Saturne. Cela suggère également que sur d’autres planètes dotées de champs magnétiques et d’atmosphères puissants (y compris les planètes géantes gazeuses et même les exoplanètes), il pourrait également exister des processus de liaison atmosphère-environnement spatial qui n’ont pas encore été entièrement compris.

Stallard a déclaré que ce résultat change la façon dont nous comprenons les atmosphères planétaires : si l'état de l'atmosphère d'une planète peut chasser les courants électriques vers l'extérieur, modifiant ainsi l'environnement spatial environnant, alors lors de l'étude des hautes atmosphères et des stratosphères d'autres planètes et même d'exoplanètes, des interactions jusqu'ici inattendues peuvent être découvertes. Les résultats pertinents ont été publiés dans le "Journal of Geophysical Research: Space Physics" sous le titre "JWST/NIRSpec révèle le mécanisme d'entraînement atmosphérique de la vitesse de rotation variable de la magnétosphère de Saturne". La recherche a été financée par le British Science and Technology Facilities Council et d’autres institutions.