Des quatre lunes galiléennes de Jupiter, Callisto est celle orbitant à la plus grande distance de la planète géante. Avec sa surface ancienne, criblée de cratères, sa structure interne encore mal définie et son probable océan de sous-surface, Callisto est sans aucun doute le plus mystérieux des satellites galiléens à ce jour. Les quelques survols de la lune glacée effectués par la sonde Galileo, complétés par des observations à distance, ont permis d’en apprendre plus à son sujet, notamment de son atmosphère ténue, dominée par l’O2 et le CO2, de son ionosphère relativement dense et de son océan de sous-surface. Au cours de son orbite à travers la magnétosphère de Jupiter, Callisto rencontre des environnements magnétosphériques variés avec lesquels elle interagit, via l’érosion de sa surface ou la formation d’ailes d’Alfvén, entre autres. Cette variabilité de l’environnement magnétosphérique à l’orbite de Callisto est principalement due à l’inclinaison du dipôle magnétique jovien par rapport à l’axe de rotation de la géante gazeuse, imposant ainsi une importante excursion en latitude magnétique. Les variations temporelles du champ magnétique dans lequel baigne la lune galiléenne sont à l’origine de phénomènes d’induction électromagnétique au sein de ses couches conductrices, à savoir son ionosphère et son océan de sous-surface. C’est d’ailleurs grâce à la mesure du champ induit dans ce dernier par le magnétomètre à bord de la mission Galileo qu’a pu être attestée l’existence d’une couche d’eau liquide sous la croûte glacée.
Alors que les missions JUICE de l’ESA et Europa Clipper de la NASA sont actuellement en route vers Jupiter et ses lunes glacées, prévoyant d’effectuer de nombreux survols de Callisto, il est essentiel de préparer au mieux leur arrivée en combinant observations et simulations afin de participer à l’amélioration de nos connaissances concernant la lune glacée et son interaction avec la magnétosphère de Jupiter.
Après la mission Galileo à la fin des années 1990, la mission Juno toujours en cours a été la seconde à se mettre en orbite autour de la planète géante. Bien que, contrairement à son prédécesseur, elle n’ait effectué aucun survol de Callisto, elle a croisé l’orbite de la lune à de nombreuses reprises. Ces traversées, souvent qualifiées de « ghost flybys », sont alors l’occasion de sonder les conditions magnétosphériques non perturbées que la lune est amenée à rencontrer au cours de son orbite. En combinant les mesures effectuées par les magnétomètres et les détecteurs de particules (électrons, ions lourds) à bord des deux missions, il est alors possible de quantifier les paramètres du plasma et du champ magnétique, ainsi que d’étudier leur variabilité. Ce travail a permis de mettre en avant l’importante variabilité due à la position magnétique, elle-même modulée par le temps local, avec une variabilité accrue côté dawnside de Jupiter.
Des simulations décrivant l’interaction entre les environnements neutre et ionisé de Callisto avec la magnétosphère jovienne ont également été développées. Celles-ci utilisent le code parallélisé LatHyS, permettant d’effectuer des simulations 3D hybrides multi-espèces de cette interaction. En raison de l’important rayon de giration des espèces ioniques ionosphériques capturées par le champ jovien à Callisto, une description cinétique de la composante ionique du plasma est essentielle afin de capturer les asymétries de l’interaction plasma à Callisto. Un modèle auto-cohérent de résistivité ionosphérique a également été développé, et le couplage avec un modèle exosphérique a été effectué. Les simulations effectuées à l’aide de LatHyS mettent ainsi en avant la richesse des types d’interactions de la lune glacée en fonction de sa position magnétique au sein de la magnétosphère jovienne. Le modèle développé sera en mesure de préparer efficacement les survols prévus pour les missions JUICE et Europa Clipper à venir. |
Among Jupiter's four Galilean moons, Callisto orbits at the greatest distance from the giant planet. With its ancient, heavily cratered surface, its still poorly understood internal structure, and probable subsurface ocean, Callisto is undoubtedly the most mysterious of the Galilean satellites to date. The flybys of the icy moon performed by the Galileo spacecraft, supplemented by remote observations, have provided insights into its characteristics, notably its tenuous atmosphere, dominated by O2 and CO2, its relatively dense ionosphere and its subsurface ocean. As it orbits through Jupiter's magnetosphere, Callisto encounters varying magnetospheric environments with which it interacts through processes such as surface erosion and the formation of Alfvén wings. This variability in the magnetospheric environment at Callisto's orbit is primarily driven by the tilt of the Jovian magnetic dipole relative to the gas giant's rotation axis, resulting in significant excursions in magnetic latitude. Temporal variations in the magnetic field surrounding the Galilean moon trigger electromagnetic induction within its conductive layers, specifically its ionosphere and subsurface ocean. Measurements of the magnetic field induced in the latter by the Galileo mission's magnetometer confirmed the existence of a liquid water layer beneath the icy crust.
With ESA's JUICE and NASA's Europa Clipper missions currently en route to Jupiter and its icy moons, and scheduled to perform numerous flybys of Callisto, it is essential to prepare for their arrival by combining observations and simulations. This approach will help advance our understanding of the icy moon and its interaction with Jupiter's magnetosphere.
Following the Galileo mission in the late 1990s, the ongoing Juno mission became the second to orbit the giant planet. Although it did not perform any flybys of Callisto, unlike its predecessor, it crossed the moon's orbit numerous times in its absence. These crossings, often referred to as "ghost flybys", provide an opportunity to probe the pristine magnetospheric conditions the moon encounters along its orbital path. By combining measurements from magnetometers and particle detectors (electrons, heavy ions) on both missions, it is possible to quantify plasma and magnetic field parameters and study their variability. This work has highlighted significant variability linked to magnetic position, itself modulated by local time, with increased variability observed on Jupiter's dawnside.
Simulations describing the interaction between Callisto's neutral and ionized environments and the Jovian magnetosphere have also been developed. These use the parallelized LatHyS code, enabling 3D multi-species hybrid simulations of the interaction. Given the large gyroradii of ionospheric ions captured by the Jovian field at Callisto, a kinetic description of the plasma's ionic component is essential to capture the asymmetries of the plasma interaction. Two key developments were achieved: a self-consistent model of ionospheric resistivity was developed, along with a coupling established between LatHyS and an exospheric model. Simulations performed with LatHyS highlight the diverse interaction modes experienced by Callisto depending on its magnetic position within the Jovian magnetosphere. The developed model will effectively support preparations for the upcoming flybys planned for the JUICE and Europa Clipper missions. |