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Magnétosphères planétaires

Pour les planètes magnétisées, la magnétosphère est l’enveloppe qui délimite la zone d’influence du champ magnétique intrinsèque de la planète.

 Chercheurs LPP :

P. Canu,T. Chust, N. Cornilleau-Wehrlin, D. Fontaine, A. Retino, F. Sahraoui

 Sélection de publications :

  • L. Z. Hadid, F. Sahraoui, K. Kiyani, A. Retinò, R. Modolo, P. Canu, A. Masters, M. K. Dougherty, Nature of the MHD and Kinetic Scale Turbulence in the Magnetosheath of Saturn : Cassini Observations, Ap. J. Letters, Volume 813, Issue 2, article id. L29, 6 pp., 2015
  • C. Tao, F. Sahraoui, D. Fontaine, J. de Patoul, T. Chust, S. Kasahara, A. Retinò, Properties of Jupiter’s magnetospheric turbulence observed by the Galileo spacecraft, Journal of Geophysical Research, 2015
  • N., Romanelli, R. Modolo, E. Dubinin, J.-J. Berthelier, C. Bertucci, J. E. Wahlund, F. Leblanc, P. Canu, N. J. T. Edberg, H. Waite,W. S. Kurth, D. Gurnett, A. Coates, M. Dougherty, Outflow and plasma acceleration in Titan’s induced magnetotail : Evidence of magnetic tension forces, Journal of Geophysical Research, 2014
  • A. Masters, L. Stawarz, M. Fujimoto, S. J. Schwartz, N. Sergis, M. F. Thomsen, A. Retinò, H. Hasegawa, B. Zieger, G. R. Lewis, A. J. Coates, P. Canu, M. K. Dougherty, Electron acceleration to relativistic energies at a strong quasi-parallel shock wave, Nature Physics, 2013

 Le contexte :

L’univers est constitué presque en totalité, à 99%, de plasma. La Terre n’est qu’une infime partie du 1% restant, où la création de plasmas et la maitrise de ses paramètres restent des tâches difficiles et complexes. La compréhension des mécanismes qui régissent ce plasma repose, comme tout autre domaine de la physique, sur une confrontation permanente entre observations, théories et modélisation. Les plasmas du système solaire, l’environnement des planètes, le vent solaire, et leurs interactions, vont donc constituer un laboratoire naturel de première importance où l’observation in-situ des plasmas va permettre d’identifier les questions fondamentales concernant leur comportement, et contraindre les théories.

 L’exploration spatiale :

Les générations successives de satellites à l’instrumentation toujours en évolution, ont permis d’avoir une description de plus en plus fine de la magnétosphère terrestre, de ses grandes régions, et de sa dynamique. La génération actuelle, basée principalement sur des constellations de satellites comme Cluster, Themis ou MMS, aborde les grandes questions des mécanismes fondamentaux à l’œuvre, turbulence, reconnexion, accélération, chocs, émissions radio, dissipation de l’énergie stockée dans le champ magnétique. L’exploration des planètes poursuivie maintenant par les sondes spatiales, permet la découverte des divers environnements ionisés des objets du système solaire, avec des conditions qui sont souvent très différentes du cas terrestre. Les caractéristiques variées du plasma rencontré conduisent à des études paramétriques des modèles qui ont été développés à partir des observations terrestres.

 Des petites planètes et des grosses planètes :

La planète Mercure par exemple, offre le cas d’un petit corps possédant un champ magnétique global mais pas d’atmosphère notable. Sa petite magnétosphère, intégralement contrôlée par le vent solaire doit avoir des temps de réaction très rapides. Une première exploration par la sonde Messenger (NASA) mis en orbite en 2011, sera approfondi par les 2 sondes (ESA-JAXA) de la mission Bepi-Colombo lancée en 2018 à laquelle le LPP est largement associé avec deux instruments (MSA et DBSC).
Les planètes géantes, toutes magnétisées, offrent une diversité d’environnements ionisés fascinante pour la physique des plasmas spatiaux. A la différence de la Terre où le plasma et l’énergie disponibles proviennent essentiellement du vent solaire incident, Jupiter et Saturne possèdent des sources de plasma internes, provenant des satellites circulant à l’intérieur de leur magnétosphère (Io pour Jupiter, Encelade pour Saturne). Une grande partie de l’énergie transférée aux particules provient initialement de la rotation rapide de ces planètes (9,8 h pour Jupiter, 10,2 pour Saturne). Les mécanismes de transport du plasma, son confinement et la dissipation de l’énergie accumulée, sont sensiblement différents de ceux rencontrés dans le cas terrestre. L’interaction des divers satellites avec ce plasma sont autant de cas d’études. Le satellite Ganymède en orbite à l’intérieur de la magnétosphère Jovienne, qui possède lui-même un champ magnétique, permet l’étude de l’interaction entre la magnétosphère d’une petite planète et celle d’une géante. L’exemple des systèmes d’anneaux de Saturne offre un laboratoire unique d’étude d’interaction plasma, les anneaux étant à la fois émetteurs de matière dans la magnétosphère et absorbeur de plasma circulant le long des lignes magnétiques internes.

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Figure 1
Magnétosphère de Jupiter
Source : Chaisson, E./McMillian. S., ASTRONOMY TODAY, 3/e, © 1999

 Les questions abordées au LPP :

L’équipe plasmas spatiaux du LPP s’est impliquée très tôt dans cette exploration des magnétosphères des planètes géantes, avec des instruments embarqués sur les sondes spatiales. Après les premières données acquises par l’instrument URAP (PI : B. Stone, GSFC) lors de la traversée de la magnétosphère de Jupiter par la sonde Ulysse (ESA) en février 1992, notre équipe à participé à l’exploration approfondie de l’environnement de Jupiter (Figure 1) avec l’instrument PWS (PI : D. Gurnett, University of Iowa), embarqué sur la sonde Galileo, mise en orbite autours de la planète géante en décembre 1995. Les données des antennes magnétiques "search-coil" construites par l’équipe ont largement contribué à la découverte de la mini magnétosphère de Ganymède.
Le LPP participe également à l’exploration en profondeur de la magnétosphère de Saturne (Figure 2), de l’environnement de ses satellites, en particulier Titan, et de ses système d’anneaux, à partir de notre instrumentation incluse dans l’ensemble RPWS (PI : D. Gurnett, puis W. Kurth, University of Iowa), embarqué sur la sonde Cassini. Celle-ci a été lancée en 1997, et à été mise en orbite autours de Saturne en juillet 2004. Sa mission se terminera en Septembre 2017.

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Figure 2
Magnétosphère de Saturne
Source : M. Kivelson, Science, 2006

L’intérêt de l’équipe pour poursuivre l’étude des planètes géantes reste très fort. Nous avons ainsi été sélectionnés pour fournir les antennes magnétiques de l’instrument RPWI (PI : J.E. Wahlund, IRF, Uppsala) qui sera embarqué sur la sonde Juice (ESA) dont le lancement vers Jupiter est prévu pour 2022. L’objectif principal de Juice sera, au-delà d’une étude approfondie de l’ensemble du milieu Jovien et des survols du satellite Europa qui devraient débuter vers 2030, une exploration de la magnétosphère du satellite Ganymède après mise en orbite autours de celui-ci.


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