Les lunes galiléennes Io, Europe, Ganymède, et Callisto orbitent à l’intérieur de la magnétosphère de Jupiter, dans un milieu constitué d’un plasma dense. Au voisinage des lunes, ce plasma, entraîné en quasi-corotation par le champ magnétique de Jupiter, s’écoule à des vitesses significativement supérieures aux vitesses orbitales des lunes. En conséquence, les lunes galiléennes perturbent l’écoulement du plasma. L'interaction entre le flux de plasma et les lunes, connue sous le nom d'interaction lune-magnétosphère, donne lieu à de multiples processus physiques, notamment la génération d'ondes d'Alfvén qui se propagent le long des lignes de champ magnétique et s'éloignent des lunes. Ces ondes d'Alfvén peuvent accélérer des particules chargées vers Jupiter qui précipitent dans son atmosphère, induisant ainsi des émissions aurorales caractéristiques observées à la fois dans les longueurs d’ondes ultraviolettes et infrarouges. Ces émissions aurorales multi-longueur d'onde liées aux lunes, sans contrepartie sur Terre, sont connues sous le nom d'empreintes aurorales.
La mission Juno, en orbite autour de Jupiter depuis Juillet 2016, évolue sur une orbite polaire de forte excentricité autour de la planète géante. En effectuant des survols rapprochés des pôles de Jupiter à chaque orbite, la mission permet de caractériser simultanément les émissions aurorales et les particules chargées qui les génèrent avec des résolutions temporelles et spatiales sans précédent.
Toutefois, les mécanismes physiques responsables des empreintes aurorales d'Europe, de Ganymède, et de Callisto restent peu documentés. En effet, leurs interactions avec le flux de plasma sont de plus faibles intensités que celles d'Io et sont sujettes à des variabilités spatiales et temporelles plus importantes, rendant plus complexe l'identification de leurs signatures dans les données. Dans ce travail, nous proposons de caractériser les processus physiques et les propriétés des particules chargées responsables des empreintes aurorales d'Europe, de Ganymède, et de Callisto et de les comparer aux observations précédemment effectuées à Io. Pour cela, nous utilisons une approche multi-instrumentale basée sur les données de la mission Juno, combinée à une modélisation numérique du champ magnétique de Jupiter. Les mécanismes physiques responsables des propriétés des particules chargées observées par Juno sont étudiés à l'aide de modélisations numériques et comparés à des observations de la mission Cassini autour de Saturne.
Ces travaux permettent de mieux comprendre les processus physiques impliqués dans les interactions plasma entre une lune et sa planète hôte, que ce soit dans la magnétosphère de Jupiter, de Saturne ou dans d’autres systèmes planétaires.
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The Galilean moons Io, Europa, Ganymede, and Callisto orbit within Jupiter's magnetosphere in a dense plasma environment. At the orbital locations of the moons, this plasma, driven in quasi-corotation by Jupiter’s magnetic field, flows at velocities significantly higher than the moons' orbital speed. As a consequence, the moons disturb the plasma flow. The interaction between the plasma flow and the moons, known as moon-magnetosphere interactions, gives rise to multiple physical processes, including the generation of Alfvén waves that propagate along the magnetic field lines away from the moons. These Alfvén waves can accelerate charged particles towards Jupiter, which ultimately precipitate into its upper atmosphere, inducing characteristic auroral emissions observed both in the ultraviolet and infrared wavelengths. These multi-wavelength auroral emissions associated with the moons, with no counterpart at Earth, are known as auroral footprints.
The Juno mission, orbiting Jupiter since July 2016, evolves on a highly eccentric polar orbit around the giant planet. By performing close flybys over Jupiter’s poles every orbit, the mission allows to simultaneously characterize both the auroral emissions and the charged particles generating them with unprecedented temporal and spatial resolutions.
However, the physical mechanisms responsible for the auroral footprints of Europa, Ganymede, and Callisto remain sparsely documented. Indeed, their interactions with the plasma flow are weaker than that of Io and are subject to larger spatial and temporal variabilities, resulting in more complex identification of their signatures in the data. In this work, we propose to characterize the physical processes and the properties of the charged particles responsible for the generation of the auroral footprints of Europa, Ganymede, and Callisto and compare them to previous observations at Io. To do so, we use a multi-instrument approach relying on Juno data, combined with numerical modeling of Jupiter’s magnetic field. The physical mechanisms responsible for the properties of the charged particles observed by Juno are investigated using numerical modelings and compared with Cassini observations at Saturn.
This work allows for a better understanding of the physical processes involved in the plasma interactions between a moon and its planet, whether in the magnetosphere of Jupiter, Saturn, or other planetary systems. |