Les ceintures de radiation de la Terre et de Saturne diffèrent plus fortement qu'on ne le supposait auparavant. Dans ces ceintures, particules très énergétiques, comme les électrons et les protons, se déplacer autour de la planète à des vitesses élevées - capturées par son champ magnétique. Dans le cas de la Terre, le vent solaire, un courant de particules chargées provenant du Soleil d'intensité variable, contrôle l'intensité de la ceinture de rayonnement à la fois directement et indirectement. Les ceintures de radiation de Saturne, cependant, se développent complètement indépendamment du vent solaire et sont plutôt influencés de manière décisive par les lunes de la géante gazeuse. Ces résultats sont publiés aujourd'hui dans la revue Nature Astronomy par un groupe de chercheurs de l'Institut Max Planck pour la recherche sur le système solaire (MPS) en Allemagne co-dirigeant l'étude la plus complète sur le sujet à ce jour. La clé des nouvelles découvertes sont les mesures de l'instrument MIMI-LEMMS à bord de la sonde spatiale Cassini de la NASA, qui a exploré le système Saturne pendant plus de 13 ans avant de plonger dans la planète le 15 septembre de cette année.

L'activité du Soleil – et avec elle la force du vent solaire – suit un cycle de onze ans. L'étude de l'influence à long terme du vent solaire sur les ceintures de radiation d'une planète demande donc de la patience – et des missions spatiales d'une durée considérable. "Si la mission de Cassini vers le système Saturne avait pris fin après quatre ans, comme prévu initialement, nous n'aurions jamais pu atteindre ces résultats, " explique le Dr Elias Roussos du MPS. Heureusement, la mission a été prolongée plusieurs fois. L'instrument d'imagerie magnétosphérique (MIMI) avec son détecteur de particules à haute énergie (LEMMS) à bord de Cassini a donc pu enregistrer la distribution des particules chargées au voisinage de Saturne sur une période de temps qui inclut un cycle solaire complet. "De telles données in situ sur les ceintures de radiation d'une planète ne sont autrement disponibles que pour la Terre, " dit le chercheur de MPS Dr Norbert Krupp, qui dirige l'équipe MIMI-LEMMS.

Comme le montrent les données de Cassini, Les ceintures de rayonnement protonique de Saturne sont gigantesques :elles s'étendent de l'anneau le plus interne de la planète à l'orbite de la lune Téthys - et donc plus de 285, 000 kilomètres dans l'espace. Une différence décisive avec la Terre :alors que notre lune est située bien au-delà des limites de la magnétosphère et des ceintures de radiation, Les ceintures de radiation de Saturne contiennent plusieurs de ses satellites, comme les grandes lunes Janus, Mimas, et Encelade. "Les lunes de Saturne influencent les ceintures de radiation de manière décisive, " dit Krupp. Ils agissent comme une sorte de mur limite sur des particules très énergétiques, en particulier les protons. Tous les protons diffusant plus loin vers l'intérieur de leur lieu d'origine sont absorbés et donc arrêtés lorsqu'ils interagissent avec une lune. « Cela crée des zones dans la ceinture de rayonnement qui sont complètement isolées les unes des autres, " dit Roussos. Contrairement à Saturne, les particules provenant de l'extérieur des ceintures de rayonnement de la Terre peuvent se déplacer vers l'intérieur et reconstituer son contenu.

Sur Terre, les particules de haute énergie qui forment les ceintures de rayonnement ont deux origines. Certains sont fournis directement par le vent solaire. D'autres résultent de protons incidents d'énergie extrême provenant de notre Galaxie, appelés Rayons cosmiques galactiques. Lorsque les rayons cosmiques galactiques atteignent l'atmosphère de la planète, il met en branle une chaîne de réactions, à l'issue desquels des électrons et des protons de haute énergie sont créés. Puisque le vent solaire protège partiellement et module ainsi ce rayonnement cosmique, l'activité du Soleil joue également un rôle déterminant dans ce processus.

Dans le système saturnien, c'est différent. « Dans les premières années de la mission Cassini, nous avons observé que le vent solaire pouvait provoquer des changements dramatiques dans la magnétosphère de Saturne, " dit Roussos. " Cependant, cette influence directe s'est arrêtée brusquement à l'orbite de la lune Téthys."

Néanmoins, au début, tout indiquait que le vent solaire contribue encore à façonner les ceintures de radiation – ne serait-ce qu'indirectement :les premières années de la mission Cassini coïncidaient avec un déclin de l'activité du Soleil; l'intensité des ceintures de radiation a augmenté comme prévu. Dans la période de 2010 à 2012, cependant, il y avait une chute d'intensité rapide qui ne pouvait pas être attribuée à la modulation du vent solaire des rayons cosmiques galactiques, qui change sur des échelles de temps beaucoup plus longues. Et aussi les tempêtes solaires, violentes éruptions de particules et de rayonnement du Soleil, ne pouvait pas être responsable. Alors qu'à maintes reprises sur Terre, de tels événements provoquent une baisse soudaine d'intensité, des simulations approfondies effectuées par les chercheurs montrent, que cet effet ne peut pas non plus expliquer la baisse sur toute l'année observée par Cassini.

Plutôt, les scientifiques soupçonnent que le rayonnement ultraviolet extrême du Soleil peut être responsable. Ce rayonnement peut chauffer localement l'atmosphère d'une planète. Les vents turbulents qui en résultent transmettent cette information à l'ionosphère qui est « ancrée » à la magnétosphère par le champ magnétique de la planète. Par conséquent, les protons dans les ceintures de rayonnement se sont répandus beaucoup plus efficacement que d'habitude. En route, ils rencontrent les lunes de Saturne et sont absorbés :l'intensité des ceintures de rayonnement diminue ainsi de manière significative. "Nous observons que la chute d'intensité dans les ceintures de rayonnement protonique de Saturne coïncide exactement avec de forts changements dans le rayonnement EUV du Soleil, " Roussos décrit les nouveaux résultats. Il est donc possible que si le vent solaire n'a pas d'impact sur les ceintures de radiation, le Soleil peut encore.

"Nos analyses nous rappellent également à quel point les propriétés des ceintures de radiation dépendent de la structure du système planétaire particulier, C'est, la position et le nombre de lunes pour le cas de Saturne", dit Roussos. Cette connaissance pourrait également être utile pour jeter un coup d'œil au-delà des limites du système solaire :si à l'avenir les ceintures de radiation d'une exoplanète pouvaient être détectées, ces données pourraient également contenir indirectement des informations sur les propriétés et la structure du système.