Comme sur Terre, il existe une relation entre les émissions UV et radio aurorales sur Saturne


Pour la première fois, une équipe internationale d'astronomes, dont 3 chercheurs de l'Observatoire de Paris, a établi un lien direct entre les émissions UV et radio aurorales de Saturne. Ce lien a déjà été démontré dans le cas de la Terre via des mesures de satellites juste au-dessus des régions aurorales. Pourtant, la physique sous-jacente aux émissions aurorales sur Terre et Saturne est en partie différente: si la microphysique des émissions radio et UV est la même dans les deux cas, les processus magnétosphériques à plus grande échelle causant la précipitation d'électrons énergétiques vers les pôles magnétiques sont différents. Sur Terre, les aurores UV et radio sont plus fréquentes vers 22-24 h Temps Local, et plutôt vers 8-12h dans le cas de Saturne.

La comparaison entre les émissions UV et radio aurorales des planètes est très difficile, car les observations radio n'ont pas beaucoup de résolution angulaire aux longueurs d'onde kilométriques. L'existence d'une corrélation est une contrainte pour les mécanismes d'émission: par exemple, certaines émissions UV peuvent être dues à des précipitations d'ions, et ne sont donc pas corrélées à des émissions radio. La présence de corrélation confirme ainsi l'existence d'électrons précipités. Par ailleurs les mesures radio et UV fournissent des informations complémentaires: les premières fournissent de bonnes résolutions temporelle et spectrale permettant d'en déduire le déplacement et énergie des électrons; les secondes ont une bonne résolution spatiale permettant d'identifier précisément les lignes de champ magnétique le long desquelles les électrons se déplacent (cf Figure 1).

Dans cet article publié dans Nature, les observations radio ont été effectuées par l'expérience RPWS (Radio and Plasma Wave Science) de Cassini, et les observations UV par l'imageur STIS du télescope spatial Hubble, lors d'une campagne conjointe en janvier 2004, 5 mois avant la mise en orbite autour de Saturne.


Figure 1 : Correspondance des aurores radio et UV terrestres: l'expérience radio du satellite "Dynamic Explorer 1" permettait de déterminer la direction d'origine des émissions radio aurorales terrestres. En suivant vers l'atmosphère les lignes de champ magnétique passant par la radiosource instantanée, on aboutit généralement dans un point brillant UV de l'ovale auroral [adapté de Huff et al, 1988, JGR 93, 11445].
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L'équipe d'astronomes a montré que les variations des aurores UV et radio sont bien corrélées entre elles et aux fluctuations (de pression, notamment) du vent solaire au niveau de Saturne (cf Figure 2). Notamment la radiosource aurorale sud a été identifiée à un arc UV brillant (noté " A " sur la Figure 3).


Figure 2 : Corrélation entre le flux d'énergie précipité dans les régions aurorales de Saturne sous forme d'électrons énergétiques (déduit des observations UV de HST) et le flux radio émis (mesuré par Cassini-RPWS): en haut, comparaison directe des variations temporelles (intégrées sur 1 rotation planétaire, ~10h40 min); en bas, diagramme de dispersion; au milieu, comparaison à la pression du vent solaire au niveau de Saturne.
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Pourtant, contrairement aux aurores terrestres, les aurores de Saturne ne sont pas strictement fixes en temps local, mais simplement restreintes à l'intérieur d'un secteur de quelques heures de Temps Local, à l'intérieur duquel elles sont en corotation partielle avec la planète. L'émission radio (à la fréquence cyclotron électronique locale), très anisotrope, est maximale à 55-70° du champ magnétique dans la source (ce qui explique la difficulté d'effectuer des corrélations UV-radio à petite échelle temporelle). Ces chiffres sont voisins des valeurs terrestre et jovienne, et confirment l'hypothèse (étayée par d'autres arguments) d'un mécanisme microscopique de génération commun.


Figure 3 : Vue temps-fréquence détaillée d'une émission radio de Saturne (du 8/1/2004), comparée à 5 images UV de HST prises sur un intervalle de 7 heures: les points chauds de l'ovale UV sud sont en corotation partielle. L'analyse des fréquences radio émises (dans l'hypothèse d'une émission à la fréquence cyclotron électronique - voir figure 3 de l'article original) favorise un lien avec le point chaud "A", et un angle d'émission radio à 55-70° du champ magnétique dans la source.
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Pour obtenir les corrélations présentées ici, un " filtrage en polarisation " des données a été développé au LESIA (où a été conçu et réalisé le récepteur HFR, sous-ensemble principal de RPWS). Ce filtrage permet d'isoler l'émission radio aurorale de Saturne des autres émissions qui lui sont superposées (cf Figure 4).


Figure 4 : Vue d'ensemble (temps-fréquence) des émissions radio détectées par Cassini-RPWS en janvier 2004. Les plages d'émissions intenses du panneau du haut correspondent aux aurores de Saturne, mais aussi à des émissions de Jupiter et peut-être du Soleil (les antennes ont une faible directivité dans le mode d'observation standard utilisé ici). Le panneau du bas donne le résultat d'un filtrage en polarisation circulaire gauche (sélectionnant les émissions cyclotron issues d'un pôle sud magnétique): seules les émissions radio aurorales de Saturne sont extraites.
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Notons enfin que nombre " d'énigmes magnéto-plasmiques " autour de Saturne subsistent, sur lesquelles Cassini devrait progressivement lever le voile. Citons en 2 importantes:

Référence
An Earth-like correspondence between Saturn's auroral features and radio emission
W. S. Kurth(1), D. A. Gurnett(1), J. T. Clarke(2), P. Zarka(3), M. D. Desch(4), M. L. Kaiser(4), B. Cecconi(1), A. Lecacheux(3), W. M. Farrell(4), P. Galopeau(5), J.-C. Gerard(6), D. Grodent(6), R. Prangé(3), M. K. Dougherty(7) & F. J. Crary(8)
Nature, published 17 February, 2005
(1) The University of Iowa, USA -- (2) Boston University, USA -- (3) Observatoire de Paris, France -- (4) NASA/Goddard Space Flight Center, Greenbelt, USA -- (5) CETP/UVSQ, Velizy, France -- (6) Université de Liège, Belgium -- (7) Blackett Laboratory, London, UK -- (8) San Antonio, Texas, USA

Contact
Philippe Zarka (Observatoire de Paris, LESIA)