L’ultime survol du pôle nord de Saturne par la sonde Cassini procura la dernière occasion de prendre des images des aurores avant la fin de la mission. De manière inattendue, la dernière image est particulièrement attrayante, montrant une explosion de lumières aurorales, toutes connectées à différents phénomènes dans la magnétosphère de Saturne. Une émission polaire très intense, jamais observée auparavant, a même été mise en évidence.

Le 15 septembre dernier, la sonde Cassini a plongé dans l’atmosphère de Saturne, marquant la fin de la mission NASA-ESA Cassini-Huygens après plus de 13 années d’observation de Saturne, de ses anneaux, de ses lunes et de sa magnétosphère. La magnétosphère est la cavité qui englobe la planète dans laquelle le champ magnétique de celle-ci a un rôle dominant sur les différents processus physiques qui s’y produisent et agit comme un bouclier contre les particules venant du soleil. La magnétosphère est remplie de particules neutres et de plasma, un mélange de particules chargées. La dynamique du plasma dans la magnétosphère de Saturne et l’interaction de particules chargées avec le champ magnétique, l’atmosphère et les lunes sont très complexes. La dynamique magnétosphérique peut être étudiée en utilisant les observations des émissions aurorales dans la haute atmosphère de Saturne, au niveau des pôles. En effet, ces lumières polaires sont produites par la précipitation dans l’atmosphère de particules guidées par les lignes de champ magnétique. Etant donné que ces électrons le long des lignes de champ proviennent de diverses régions de la magnétosphère, les émissions aurorales fournissent une image globale des processus magnétosphériques se produisant tout autour de la planète et l’évolution de la forme et de l’intensité des aurores reproduit la dynamique du plasma dans la magnétosphère de Saturne.

Des images des émissions aurorales ultraviolettes sur Saturne ont été acquises par le spectro-imageur ultraviolet (UVIS) à bord de la sonde Cassini. Durant la mission Cassini, des centaines d’images UVIS des aurores ont été analysées par les scientifiques du Laboratoire de Physique Atmosphérique et Planétaire (LPAP) de l’Institut STAR de l’Université de Liège, en collaboration avec l’équipe scientifique de l’instrument UVIS du Laboratory for Atmospheric and Space Physics (LASP) de l’Université du Colorado (Etats-Unis), donnant lieu à d’importantes avancées dans la connaissance de la magnétosphère de Saturne. La veille de la plongée finale de Cassini dans l’atmosphère de Saturne, le spectrographe UVIS a capturé sa toute dernière image des aurores de l’hémisphère nord de la planète aux anneaux. Bien que prise d’une distance assez éloignée de la planète, cette ultime image montre une explosion de lumières polaires avec plusieurs structures aurorales particulières. Une projection polaire de cette image est reproduite ci-dessous, avec le pôle nord au centre de l’image et une grille longitude-latitude contenant les méridiens espacés de 40° de longitude et les parallèles à 80, 70 et 60° de latitude. Les émissions dans la partie inférieure de la projection font face au soleil tandis que les émissions dans la partie supérieure sont du côté nuit de la planète. Cette ultime image UVIS a été précédée environ une heure plus tôt par une série d’observations rassemblées dans l’animation ci-dessous. Cette animation permet de suivre l’évolution des différentes composantes de l’aurore.

Dernière image de l’aurore de l’hémisphère nord de Saturne, prise par le spectrographe UVIS à bord de la sonde Cassini le 14 septembre 2017, soit la veille de la fin de la mission. Crédits : Université de Liège/LPAP

La dernière image contient de nombreuses structures aurorales très intéressantes. Du côté soir, les émissions sont organisées sous forme d’un large arc qui affiche des grosses taches aurorales indiquées par la lettre (a) sur l’image. Ces intenses taches sont probablement une signature aurorale liée à la présence dans la magnétosphère diurne de bulles de plasma dont l’énergie est plus grande que celle du plasma ambiant. Des courants électriques relient les bords de cette bulle de plasma chaud à la planète et la précipitation atmosphérique des électrons transportés par ces courants produisent les taches aurorales observées dans l’atmosphère.

Le champ magnétique de Saturne contient des lignes de champs fermées reliant les deux hémisphères de la planète et des lignes dites « ouvertes », aux hautes latitudes, qui sont connectées au champ magnétique interplanétaire généré par le soleil. Des courants électriques circulent à l’interface entre les lignes de champ fermées et celles ouvertes. La faible émission aurorale en forme d’arc visible du côté nuit le long du bord intérieur du large arc et indiquée par un (b) pourrait être produite par ces courants.

Les lignes de champ fermées à l’avant de la magnétosphère peuvent s’ouvrir en se combinant avec le champ magnétique interplanétaire tandis que les lignes ouvertes peuvent se refermer du côté nocturne de la magnétosphère, une région appelée magnétoqueue. Cette fermeture des lignes dans la magnétoqueue génère un arc auroral à très hautes latitudes du côté nuit, dont une version courte et faible en intensité, identifiée par la lettre (c), est distinguable sur cette dernière image UVIS.

A cause de la rotation de la planète, les lignes de champ fermées ont tendance à s’étirer vers l’arrière de la magnétoqueue. Lorsque cet étirement devient trop important, les lignes se rompent puis se reconnectent pour retrouver la configuration initiale. Ce processus laisse une signature aurorale dans l’atmosphère, sous forme d’un arc du côté matin (émission (e) sur l’image UVIS présentée ici) qui s’étend et s’intensifie ensuite en tournant vers le côté jour (émission (d)).

Séquence de 8 images des aurores de l’hémisphère nord de Saturne, obtenues avec le spectrographe UVIS le 14 septembre 2017, 80 min avant l’image finale discutée dans cet article.

Enfin, sur cette ultime image, les émissions aurorales affichent une structure allongée du côté matin (f), très proche du pôle, structure qui n’avait jamais été observée dans la passé. Cette inédite émission polaire nécessite une analyse approfondie pour comprendre le mécanisme magnétosphérique la produisant. La morphologie de cet arc auroral ressemble à celle de l’arc transpolaire diurne communément observé sur Terre. Le processus qui produit cet arc polaire pourrait donc coexister dans les magnétosphères de Saturne et de la Terre. De manière alternative, cette structure aurorale pourrait être associée au même processus que l’émission (d), à savoir un réarrangement des lignes de champ dans la magnétoqueue.

Plusieurs scénarios ont été avancés au fil des ans pour expliquer les émissions aurorales sur Saturne mais nous sommes encore loin d’avoir trouvé une solution globale à ce système complexe qu’est la magnétosphère de Saturne. Il faudra probablement une autre décennie pour (ré)analyser complètement les centaines de séquences d’images UVIS obtenues durant les 13 ans de la mission Cassini et pour les combiner avec les nombreuses observations réalisées par les autres instruments à bord de Cassini et par d’autres télescopes spatiaux et terrestres. Sans aucun doute, beaucoup de découvertes surprenantes sont encore à venir.

Benjamin Palmaerts est Post-doctorant au Laboratoire de Physique Atmosphérique et Planétaire (LPAP) au sein de l’Unité de recherche STAR qui compte de nombreux spécialistes de l’étude des émissions aurorales UV de Jupiter et de Saturne.