Observée pour la première fois par la sonde Voyager 1 en 1979, la forte activité volcanique de Io est très vraisemblablement due aux effets de marée créés par Jupiter sur son satellite, ces derniers étant responsables de déformations périodiques générant un chauffage important provoqué par friction interne. Le flux de chaleur associé à cette activité géologique a été quantifié par le rayonnement infra-rouge de Io. Cependant, on ignorait si la quantité de chaleur produite dans l’intérieur du satellite était assez importante pour expliquer la perte d’énergie observée en surface.

Figure 1 : Vue d’artiste montrant la forte émission de chaleur de Io induite par les marées joviennes (V. Lainey, copyright : IMCCE-Observatoire de Paris, CNRS). Cliquer sur l’image pour l’agrandir

Afin de quantifier la quantité de chaleur produite, une équipe de chercheurs menée par V. Lainey et regroupant des astronomes de l’Observatoire de Paris/IMCCE et de l’Observatoire royal de Belgique a déterminé la perte d’énergie orbitale de Io induite par les marées. En effet, tandis que de la chaleur est créée dans le satellite par friction, une perte d’énergie orbitale se produit et rapproche Io de Jupiter, le faisant accélérer sur son orbite. Au contraire, la dissipation de marée dans Jupiter tend à éloigner Io de la planète tandis que la rotation de Jupiter décélère, comme c’est le cas pour le système Terre-Lune. Ainsi, deux effets opposés modifient l’orbite de Io : une décélération due à la dissipation dans Jupiter et une accélération due à la dissipation dans Io.L’idée de déterminer la dissipation par marées dans Io à partir de son évolution orbitale n’est pas nouvelle. Cependant, toutes les études précédentes échouèrent par manque d’une modélisation suffisamment précise de la dynamique orbitale des quatre satellites galiléens. Utilisant un nouveau modèle dynamique de ces satellites et un ensemble d’observations astrométriques (observations de position des satellites sur la sphère céleste) couvrant une période supérieure à un siècle et incluant de nouvelles techniques particulièrement précises (comme celle de l’observation des occultations et éclipses mutuelles), les auteurs de cet article ont réussi à quantifier la dissipation de marées dans Io et Jupiter à partir de l’accélération orbitale de Io. Ils ont pu en déduire que Io est très proche de l’équilibre thermique, ce qui a des conséquences importantes sur la modélisation interne de Io, en particulier sur le mécanisme de transport de chaleur. La dissipation dans Jupiter a également pu être quantifiée et trouvée proche de sa limite supérieure attendue par l’étude de l’évolution à long terme supposée du système. C’est la première fois que la dissipation induite dans une planète géante par effets de marées est mesurée grâce à l’astrométrie. Cela montre qu’une dissipation forte peut exister dans les planètes géantes (essentiellement gazeuses), ce qui est un point clé pour mieux comprendre l’évolution orbitale passée des satellites et pourrait bien avoir des conséquences sur l’étude des planètes extra-solaires.

Figure 2 : L’observation continue des satellites galiléens de Jupiter a permis aux astronomes d’obtenir des résultats importants sur la dissipation induite par marées dans Io et Jupiter. (V. Lainey, copyright : IMCCE-Paris Observatory, CNRS) Cliquer sur l’image pour l’agrandir

Référence Strong tidal dissipation in Io and Jupiter from astrometric observations, V. Lainey, J.-E. Arlot, Ö. Karatekin & T. Van Hoolst, Nature, 18/06/2009 News & Views

Contact Valery Lainey (Observatoire de Paris, IMCCE, et CNRS)

Jean-Eudes Arlot (Observatoire de Paris, IMCCE, et CNRS)

Dernière modification le 22 février 2013

Observed for the first time by Voyager 1 in 1979, Io’s strong volcanic activity is most likely a consequence of tides on Io raised by Jupiter, since periodic tidal deformations generate large amounts of heat by friction inside the satellite. A large surface heat flow associated with this geological activity was derived from observations of Io’s infrared emission, but it was unknown whether the tidal heat production in the interior is sufficient to explain the energy loss at the surface.

Figure 1 : Vue d’artiste montrant la forte émission de chaleur de Io induite par les marées joviennes (V. Lainey, copyright : IMCCE-Observatoire de Paris, CNRS). Cliquer sur l’image pour l’agrandir

To quantify Io’s tidal heat production rate, a team led by V.Lainey and involving astronomers of the Paris Observatory and the Royal Observatory of Belgium has studied Io’s orbital energy loss. When tidal heat is produced inside the satellite, Io loses orbital energy and moves deeper into Jupiter’s gravitational well. In addition, tidal dissipation in Jupiter tends to move Io outward and to decelerate the orbital motion while the spin of Jupiter decreases, similar to the Earth-Moon system. Therefore, Io’s change in orbital motion is the sum of two opposite effects : a deceleration due to dissipation in Jupiter and an acceleration due to dissipation in Io. The idea that the tidally dissipated energy of Io can be determined from its orbital evolution has been recognized long time ago. Former studies, however, failed to develop a dynamical model of all four orbital Galilean moons accurate enough to reveal tidal accelerations. Using a new dynamical model of the Galilean system and considering astrometric observations (observations of the positions of celestial objects) covering more than a century and including new types of observations of high accuracy such as the mutual occultations and eclipses between the satellites, the team has succeeded to quantify Io’s and Jupiter’s tidal dissipation from Io’s orbital acceleration. They deduced that Io is close to thermal equilibrium. This has significant consequences for interior modeling and, in particular, for the heat transport mechanism. Jupiter’s tidal dissipation has also been quantified and found close to the higher limit expected from the long-term evolution of the system. It is the first time that tidal dissipation in a giant planet is derived from astrometry. It demonstrates that strong dissipation can occur in giant planets (that are essentially gaseous), which is a key point to long term evolution of satellite orbits and may have consequences for the study of extra-solar planets.

Figure 2 : L’observation continue des satellites galiléens de Jupiter a permis aux astronomes d’obtenir des résultats importants sur la dissipation induite par marées dans Io et Jupiter. (V. Lainey, copyright : IMCCE-Paris Observatory, CNRS) Cliquer sur l’image pour l’agrandir

Reference Strong tidal dissipation in Io and Jupiter from astrometric observations, V. Lainey, J.-E. Arlot, Ö. Karatekin & T. Van Hoolst, Nature, 18/06/2009 News & Views

Contact Valery Lainey (Observatoire de Paris, IMCCE, et CNRS)

Jean-Eudes Arlot (Observatoire de Paris, IMCCE, et CNRS)

Dernière modification le 4 mars 2013