Les tempêtes cycloniques encerclent le pôle Nord de Jupiter, capturé en lumière infrarouge par le vaisseau spatial Juno de la NASA. Crédit :NASA/JPL-Caltech/SwRI/ASI/INAF/JIRAM
Jupiter, du nom du roi des anciens dieux romains, commande sa propre mini-version de notre système solaire de satellites en rotation ; leurs mouvements ont convaincu Galileo Galilei que la Terre n'est pas le centre de l'univers au début du 17ème siècle. Plus de 400 ans plus tard, les astronomes utiliseront le télescope spatial James Webb de la NASA pour observer ces sujets célèbres, pousser les instruments de l'observatoire au maximum de leurs capacités et jeter les bases d'une découverte scientifique de grande envergure.
Une équipe diversifiée de plus de 40 chercheurs, dirigé par les astronomes Imke de Pater de l'Université de Californie, Berkeley et Thierry Fouchet de l'Observatoire de Paris, ont conçu un programme d'observation ambitieux qui mènera certaines des premières observations scientifiques de Webb dans le système solaire, en étudiant Jupiter, son système d'anneaux, et deux de ses lunes :Ganymède et Io.
"Ce sera une expérience vraiment difficile, " dit de Pater. " Jupiter est si brillant, et les instruments de Webb sont si sensibles, que l'observation à la fois de la planète brillante et de ses anneaux et lunes plus faibles sera un excellent test pour tirer le meilleur parti de la technologie innovante de Webb. »
Jupiter
En plus de calibrer les instruments de Webb pour la luminosité de Jupiter, les astronomes doivent également tenir compte de la rotation de la planète, parce que Jupiter complète une journée en seulement 10 heures. Plusieurs images doivent être assemblées dans une mosaïque pour capturer pleinement une certaine zone - la célèbre tempête connue sous le nom de Grande Tache Rouge, par exemple, une tâche rendue plus difficile lorsque l'objet lui-même se déplace. Alors que de nombreux télescopes ont étudié Jupiter et ses tempêtes, Le grand miroir et les instruments puissants de Webb fourniront de nouvelles perspectives.
"Nous savons que l'atmosphère immédiate au-dessus de la Grande Tache Rouge est plus froide que les autres régions de Jupiter, mais à des altitudes plus élevées, dans la mésosphère, l'atmosphère semble être plus chaude. Nous utiliserons Webb pour étudier ce phénomène, " dit de Pater.
Le vaisseau spatial Galileo de la NASA attrape Io au milieu d'une éruption volcanique. Crédit :NASA/JPL/DLR
Webb examinera également l'atmosphère de la région polaire, où le vaisseau spatial Juno de la NASA a découvert des amas de cyclones. Les données spectroscopiques de Webb fourniront beaucoup plus de détails que cela n'a été possible dans les observations passées, mesurer les vents, particules de nuage, composition du gaz, et la température.
Les futures observations du système solaire des planètes géantes avec Webb bénéficieront des enseignements tirés de ces premières observations du système jovien. L'équipe est chargée de développer des méthodes pour travailler avec les observations Webb des planètes du système solaire, qui peut être utilisé plus tard par d'autres scientifiques.
Anneaux
Les quatre planètes géantes gazeuses du système solaire ont des anneaux, avec Saturne étant le plus important. Le système d'anneaux de Jupiter est composé de trois parties :un anneau principal plat; un halo à l'intérieur de l'anneau principal, en forme de lentille double convexe; et la bague arachnéenne, extérieur à l'anneau principal. Le système d'anneaux de Jupiter est exceptionnellement faible car les particules qui composent les anneaux sont si petites et clairsemées qu'elles ne réfléchissent pas beaucoup de lumière. À côté de la luminosité de la planète, ils disparaissent pratiquement, un défi pour les astronomes.
"Nous poussons vraiment les capacités de certains des instruments de Webb à la limite pour obtenir un nouvel ensemble unique d'observations, " a déclaré le co-chercheur Michael Wong de l'Université de Californie, Berkeley. L'équipe testera des stratégies d'observation pour faire face à la lumière diffusée de Jupiter, et construire des modèles à l'usage d'autres astronomes, y compris ceux qui étudient les exoplanètes en orbite autour d'étoiles brillantes.
L'équipe cherchera également à faire de nouvelles découvertes dans les anneaux. De Pater a noté qu'il peut y avoir des "lunes éphémères" non découvertes dans le système d'anneau dynamique, et les ondulations potentielles dans l'anneau des impacts de comètes, comme ceux observés et remontés à l'impact de la comète Shoemaker-Levy 9 en 1994.
La lune Io est en orbite autour de Jupiter sur cette image du vaisseau spatial Cassini de la NASA. Jupiter et Io semblent trompeusement proches sur cette image, alors qu'en fait la lune est en orbite autour de 217, 000 miles de la planète géante gazeuse. Crédit :NASA/JPL/Université de l'Arizona
Ganymède
Plusieurs caractéristiques du Ganymède glacé le rendent fascinant pour les astronomes. En plus d'être la plus grosse lune du système solaire, et plus grand encore que la planète Mercure, c'est la seule lune connue pour avoir son propre champ magnétique. L'équipe enquêtera sur les parties les plus extérieures de l'atmosphère de Ganymède, son exosphère, pour mieux comprendre l'interaction de la lune avec les particules du champ magnétique de Jupiter.
Il existe également des preuves que Ganymède peut avoir un océan d'eau salée liquide sous sa glace de surface épaisse, que Webb étudiera avec une étude spectroscopique détaillée des sels de surface et d'autres composés. L'expérience de l'équipe dans l'étude de la surface de Ganymède pourrait être utile dans l'étude future d'autres lunes glacées du système solaire soupçonnées d'avoir des océans souterrains, y compris la lune Encelade de Saturne et le satellite jovien Europa.
Io
L'autre lune que l'équipe étudiera est en contraste dramatique avec Ganymède, oh, le monde le plus volcaniquement actif du système solaire. La surface dynamique est recouverte de centaines d'énormes volcans qui éclipseraient ceux de la Terre, ainsi que des lacs de lave en fusion et des plaines inondables lisses de lave solidifiée. Les astronomes prévoient d'utiliser Webb pour en savoir plus sur les effets des volcans d'Io sur son atmosphère.
"Il y a encore beaucoup de choses que nous ne savons pas sur la structure de la température atmosphérique d'Io, parce que nous n'avons pas eu les données pour distinguer la température à différentes altitudes, " a déclaré de Pater. " Sur Terre, nous tenons pour acquis que lorsque vous gravissez une montagne, l'air se refroidit, en serait-il de même sur Io ? Pour l'instant on ne sait pas, mais Webb peut nous aider à le découvrir."
Le vaisseau spatial Galileo de la NASA a capturé une image du système d'anneaux de Jupiter, y compris l'anneau extérieur diffus en voile. Crédit :NASA/JPL/Université de Cornell
Un autre mystère que Webb enquêtera sur Io est l'existence de "volcans furtifs, " qui émettent des panaches de gaz sans la poussière réfléchissant la lumière qui peut être détectée par des engins spatiaux comme les missions Voyager et Galileo de la NASA, et sont donc passés inaperçus jusqu'à présent. La haute résolution spatiale de Webb sera en mesure d'isoler des volcans individuels qui, auparavant, seraient apparus comme un seul grand point chaud, permettant aux astronomes de recueillir des données détaillées sur la géologie d'Io.
Webb fournira également des données sans précédent sur la température des points chauds d'Io, et déterminer s'ils sont plus proches du volcanisme sur Terre aujourd'hui, ou s'ils ont une température beaucoup plus élevée, semblable à l'environnement sur Terre dans les premières années après sa formation. Les observations précédentes de la mission Galileo et des observatoires au sol ont fait allusion à ces températures élevées; Webb assurera le suivi de cette recherche et fournira de nouvelles preuves qui pourraient régler la question.
Effort d'équipe
Les observations détaillées de Webb ne supplanteront pas celles d'autres observatoires, mais plutôt coordonner avec eux, Wong a expliqué. "Les observations spectroscopiques de Webb ne couvriront qu'une petite zone de la planète, afin que les vues globales des observatoires au sol puissent montrer comment les données Webb détaillées s'intègrent à ce qui se passe à plus grande échelle, similaire à la façon dont Hubble et l'observatoire Gemini fournissent un contexte pour l'étroite, observations rapprochées."
À son tour, L'étude de Webb sur les tempêtes et l'atmosphère de Jupiter complétera les données de Juno, y compris les signaux radio de la foudre, que Webb ne détecte pas. "Aucun observatoire ou vaisseau spatial ne peut tout faire, " Wong a dit, "Nous sommes donc très enthousiastes à l'idée de combiner les données de plusieurs observatoires pour nous en dire beaucoup plus que ce que nous pourrions apprendre d'une seule source."
Cette recherche est menée dans le cadre d'un programme Webb Early Release Science (ERS). Ce programme donne du temps aux projets sélectionnés en amont de la mission de l'observatoire, permettant aux chercheurs d'apprendre rapidement comment utiliser au mieux les capacités de Webb, tout en produisant une science solide.
Le télescope spatial James Webb sera le premier observatoire mondial des sciences spatiales lors de son lancement en 2021. Webb résoudra les mystères de notre système solaire, regarder au-delà des mondes lointains autour d'autres étoiles, et sonder les structures et les origines mystérieuses de notre univers et notre place dans celui-ci. Webb est un programme international mené par la NASA avec ses partenaires, ESA (Agence spatiale européenne) et l'Agence spatiale canadienne.
