Composition chimique

La haute atmosphère de Jupiter est composée à 93 % d'hydrogène et 7 % d'hélium en nombre d'atomes, ou à 86 % de dihydrogène et 13 % d'hélium en nombre de molécules. Les atomes d'hélium étant plus massifs que les atomes d'hydrogène, l'atmosphère est donc approximativement constituée en masse de 75 % d'hydrogène et de 24 % d'hélium, le pourcentage restant étant apporté par divers autres éléments et composés chimiques (traces de méthane, de vapeur d'eau, d'ammoniac, très petites quantités de carbone, d'éthane, de sulfure d'hydrogène, de néon, d'oxygène, d'hydrure de phosphore et de soufre). La couche la plus externe de la haute atmosphère contient des cristaux d'ammoniac^[2],[3].

Par mesures infrarouges et ultraviolettes, des traces de benzène et d'autres hydrocarbures ont également été détectées^[4]. L'intérieur de Jupiter contient des matériaux plus denses et la distribution par masse est de 71 % d'hydrogène, 24 % d'hélium et 5 % d'autres éléments.

Les proportions d'hydrogène et d'hélium dans la haute atmosphère sont proches de la composition théorique de la nébuleuse planétaire qui aurait donné naissance au Système solaire. Néanmoins, le néon n'y est détecté qu'à hauteur de vingt parties par million en termes de masse, un dixième de ce qu'on trouve dans le Soleil^[5]. L'hélium y est également en défaut, mais à un degré moindre. Cet appauvrissement pourrait résulter de la précipitation de ces éléments vers l'intérieur de la planète sous forme de pluie^[6],[7],[8]. Les gaz inertes lourds sont deux à trois fois plus abondants dans l'atmosphère de Jupiter que dans le Soleil.

Par spectroscopie, on pense que Saturne possède une composition similaire à Jupiter, mais qu'Uranus et Neptune sont constituées de beaucoup moins d'hydrogène et d'hélium^[9]. Cependant, aucune sonde n'ayant pénétré l'atmosphère de ces géantes gazeuses, les données d'abondance des éléments plus lourds ne sont pas connues.

Masse et dimensions

En haut à droite, Jupiter a un diamètre dix fois plus petit (×0.10045) que celui du Soleil ; en bas à gauche, Jupiter a un diamètre onze fois plus grand (×10.9733) que celui de la Terre.

Jupiter est 2,5 fois plus massive que toutes les autres planètes du Système solaire réunies, tellement massive que son barycentre avec le Soleil est situé à l'extérieur de ce dernier, à environ 1,068 rayon solaire du centre du Soleil^[10]. Par ailleurs, son diamètre est un ordre de grandeur inférieur à celui du Soleil mais 11 fois plus grand que celui de la Terre (environ 143 000 km) et on pourrait placer environ 1 322 corps de la taille de cette dernière dans le volume occupé par la géante gazeuse^[1]. En revanche, la densité de Jupiter n'est que le quart de celle de la Terre (0,240 fois, précisément) : elle n'est donc que 318 fois plus massive que cette dernière^[11],[12].

Si Jupiter était plus massive, son diamètre serait plus petit par compression gravitationnelle : l'intérieur de la planète serait plus comprimé par une plus grande force gravitationnelle, décroissant sa taille^[13]. Par conséquent, Jupiter posséderait le diamètre maximal d'une planète de sa composition et de son histoire. Cette masse a eu une grande influence gravitationnelle sur la formation du Système solaire : la plupart des planètes et des comètes de courte période sont situées près de Jupiter et les lacunes de Kirkwood de la ceinture d'astéroïdes lui sont dues en grande partie^[14],[15].

La masse de Jupiter, ou masse jovienne, est souvent utilisée comme unité pour décrire les masses d'autres objets, en particulier les planètes extrasolaires et les naines brunes. La planète a parfois été décrite comme une « étoile ratée », mais il faudrait qu'elle possède 13 fois sa masse actuelle pour démarrer la fusion du deutérium et être cataloguée comme une naine brune et 70 à 80 fois pour devenir une étoile^[16],[17]. La plus petite naine rouge connue, en date de 2017, est 85 fois plus massive mais légèrement moins volumineuse que Jupiter (84 % de son rayon)^[18]. Des exoplanètes beaucoup plus massives que Jupiter ont été découvertes^[19]. Ces planètes pourraient être des géantes gazeuses semblables à Jupiter, mais pourraient appartenir à une autre classe de planètes, celle des Jupiter chauds, parce qu'elles sont très proches de leur étoile primaire.

Jupiter rayonne plus d'énergie qu'elle n'en reçoit du Soleil. La quantité de chaleur produite à l'intérieur de la planète est presque égale à celle reçue du Soleil^[20]. Le rayonnement additionnel est généré par le mécanisme de Kelvin-Helmholtz, par contraction adiabatique. Ce processus conduit la planète à rétrécir, la valeur ayant été auparavant évaluée à 2 cm chaque année^[21], bien que cette valeur ait été réduite par d'autres calculs à environ 1 mm/an grâce à de nouveaux calculs de chaleur interne et d'albédo de Bond à partir de mesures de la sonde Cassini^[22],[23]. Lorsque Jupiter s'est formée, elle était nettement plus chaude et son diamètre était double^[24].

Renflement équatorial

Jupiter montre un renflement équatorial important : le diamètre au niveau de l'équateur (142 984 km) est 6 % plus important que le diamètre au niveau des pôles (133 708 km). La plupart des planètes, y compris la Terre, possèdent ce genre d'aplatissement à des degrés divers, qui dépend de la vitesse de rotation de la planète, de sa composition interne plus ou moins solide et de la masse de son noyau. Plus un noyau est massif, moins le renflement est important, toutes choses étant égales par ailleurs.

Ainsi, il est possible d'en tirer des enseignements sur la structure interne de Jupiter. Les trajectoires des sondes Voyager 1 et 2 ont été analysées, le renflement provoquant des déviations spécifiques des trajectoires. La caractérisation précise du renflement, ainsi que les données connues concernant la masse et le volume de Jupiter, montrent que cette planète doit posséder un noyau dense et massif, de l'ordre de 12 masses terrestres^[25].

Structure interne

Modèle en coupe de l'intérieur de Jupiter, un noyau rocheux est entouré d'hydrogène métallique.

Les connaissances sur la composition planétaire de Jupiter sont relativement spéculatives et ne reposent que sur des mesures indirectes. Selon l'un des modèles proposés, Jupiter ne posséderait aucune surface solide, la densité et la pression augmentant progressivement vers le centre de la planète. Selon une autre hypothèse, Jupiter pourrait être composée d'un noyau rocheux (silicates et fer) comparativement petit (mais néanmoins de taille comparable à celle de la Terre, et de dix à quinze fois la masse de celle-ci)^[26],[20], entouré d'hydrogène en phase métallique qui occupe 78 % du rayon de la planète^[20],[27]. Cet état serait liquide, à la manière du mercure. Il est dénommé ainsi car la pression est telle que les atomes d'hydrogène s'ionisent, formant un matériau conducteur. Cet hydrogène métallique serait lui-même entouré d'hydrogène liquide, à son tour entouré d'une fine couche d'hydrogène gazeux. Ainsi, Jupiter serait en fait une planète essentiellement liquide.

Des expériences ayant montré que l'hydrogène ne change pas de phase brusquement (il se trouve bien au-delà du point critique), il n'y aurait pas de délimitation claire entre ces différentes phases, ni même de surface à proprement parler. Quelques centaines de kilomètres en dessous de la plus haute atmosphère, la pression provoquerait une condensation progressive de l'hydrogène sous forme d'un brouillard de plus en plus dense, qui formerait finalement une mer d'hydrogène liquide^{[20],[28],[29]}. Entre 14 000 et 60 000 km de profondeur, l'hydrogène liquide céderait la place à l'hydrogène métallique de façon similaire. Des gouttelettes de démixtion, plus riches en hélium et néon se précipiteraient vers le bas à travers ces couches, appauvrissant ainsi la haute atmosphère en ces éléments. Cette immiscibilité, prévue théoriquement depuis les années 1970 et vérifiée expérimentalement en 2021, devrait affecter une épaisseur d'environ 15 % du rayon jovien. Elle pourrait expliquer le déficit de l'atmosphère jovienne en hélium et en néon, et l'excès de luminosité de Saturne^[30],[31].

Les énormes pressions générées par Jupiter entraînent les températures élevées à l'intérieur de la planète, par un phénomène de compression gravitationnelle (mécanisme de Kelvin-Helmholtz) qui se poursuit encore de nos jours, par une contraction résiduelle de la planète.

Des résultats de 1997 du Laboratoire national de Lawrence Livermore indiquent qu'à l'intérieur de Jupiter, la transition de phase à l'hydrogène métallique se fait à une pression de 140 GPa (1,4 Mbar) et une température de 3 000 K^[32]. La température à la frontière du noyau serait de l'ordre de 15 000 K et la pression à l'intérieur d'environ 3 000 à 4 500 GPa (30-45 Mbar)^[20], tandis que la température et la pression au centre de Jupiter seraient de l'ordre de 70 000 K et 70 Mbar, soit plus de dix fois plus chaudes que la surface du Soleil.

La faible inclinaison de l'axe de Jupiter fait que ses pôles reçoivent bien moins d'énergie du Soleil que sa région équatoriale. Ceci causerait d'énormes mouvements de convection à l'intérieur des couches liquides et serait ainsi responsable des forts mouvements des nuages dans son atmosphère^[12].

En mesurant précisément le champ gravitationnel de Jupiter, la sonde Juno a montré la présence d'éléments plus lourds que l'hélium répartis dans les couches internes entre le centre et la moitié du rayon de la planète, ce qui entre en contradiction avec les modèles de formation des planètes géantes. Ce phénomène pourrait s'expliquer par un ancien impact entre Jupiter et un astre d'une masse égale à environ dix fois celle de la Terre^[33].

Atmosphère

L'atmosphère jovienne comporte trois couches de nuages distinctes :

• la plus externe serait formée de nuages de glace d'ammoniac ;
• la suivante, de nuages d'hydrogénosulfure d'ammonium (NH₄HS) ;
• la dernière de nuages d'eau et de glace^[20].

La combinaison des nuages d'eau et de la chaleur provenant de l'intérieur de la planète est propice à la formation d'orages^[34]. La foudre engendrée est jusqu'à 1 000 fois plus puissante que celle observée sur la Terre^[35].

L'atmosphère externe de Jupiter subit une rotation différentielle, remarquée pour la première fois par Giovanni Domenico Cassini en 1690^[20], qui a aussi estimé sa période de rotation^[36]. La rotation de l'atmosphère polaire de Jupiter est d'environ 5 minutes plus longue que celle de l'atmosphère à la ligne équatoriale. De plus, des bancs de nuages circulent le long de certaines latitudes en direction opposée des vents dominants. Des vents d'une vitesse de 360 km/h y sont communs^[37]. Ce système éolien serait causé par la chaleur interne de la planète. Les interactions entre ces systèmes circulatoires créent des orages et des turbulences locales, telles la Grande Tache rouge, un large ovale de près de 12 000 km sur 25 000 km d'une grande stabilité, puisque déjà observé avec certitude depuis au moins 1831^[38] et possiblement depuis 1665^[39]. D'autres taches plus petites ont été observées depuis le XX^e siècle^{[40],[41],[42]}.

La couche la plus externe de l'atmosphère de Jupiter contient des cristaux de glace d'ammoniac. Les couleurs observées dans les nuages proviendraient des éléments présents en quantité infime dans l'atmosphère, sans que les détails soient là non plus connus. Les zones de nuages varient d'année en année en termes de largeur, couleur et intensité, mais sont toutefois assez stables pour que les astronomes leur assignent des noms^[12].

D'après une étude américaine de 2013, dirigée par Mona Delitsky du California Speciality Engineering et Kevin Baines de l'Université du Wisconsin à Madison, des diamants se formeraient dans l'atmosphère de Jupiter et de Saturne à partir du méthane atmosphérique. Cette étude rejoint toutes celles suggérant la production hypothétique de diamants dans les planètes gazeuses massives mais, leur observation étant absente, elles restent purement théoriques^[43]. En 2017, de nouvelles expériences simulant les conditions présumées régner 10 000 km sous la surface d'Uranus et de Neptune confortent ce modèle en produisant des diamants de taille nanométrique. Ces température et pression extrêmes ne peuvent pas être maintenues plus d'une nanoseconde en laboratoire, mais elles sont atteintes dans les profondeurs de Neptune ou d'Uranus, où des nanodiamants pourraient se former^[44].

• 
  Mosaïque de Jupiter en vraies couleurs réalisée à partir de photographies prises par la sonde Cassini le 29 décembre 2000 à 5 h 30 UTC.
• 
  Mouvement de l'atmosphère de Jupiter (depuis Voyager 1, avec une image par jour jovien, entre le 6 janvier et le 3 février 1979).
• 
  Nuages dans l'hémisphère nord de Jupiter, photographiés par Juno en octobre 2017, à une altitude de 18 906 km.

Grande tache rouge et autres taches

La Grande Tache rouge prise par Voyager 1, en fausses couleurs.

La Grande Tache rouge.

Jupiter et différentes taches, prises par Juno en février 2019.

La Grande Tache rouge est une tempête anticyclonique persistante située à 22° au sud de l'équateur de Jupiter. Son existence est connue depuis au moins 1831 et peut-être depuis 1665. Des modèles mathématiques suggèrent que la tempête est stable, et est une caractéristique permanente de la planète^[45]. Elle est suffisamment grande pour être visible au travers de télescopes depuis la Terre.

La Grande Tache rouge présente une forme ovale, de 24 à 40 000 km de long sur 12 000 km de large, suffisamment grande pour contenir deux ou trois planètes de la taille de la Terre^[46]. L'altitude maximale de la tempête est située à environ 8 km au-dessus du sommet des nuages environnants. Elle tourne sur elle-même dans le sens contraire des aiguilles d'une montre, avec une période d'environ 6 jours^[47] ; les vents soufflent à plus de 400 km/h sur ses bords^[48].

Des tempêtes de ce genre ne sont pas inhabituelles dans l'atmosphère des géantes gazeuses. Jupiter possède également des ovales blancs et bruns de plus petite taille. Les ovales blancs sont plutôt constitués de nuages relativement froids à l'intérieur de la haute atmosphère. Les ovales bruns sont plus chauds et situés à l'intérieur de la couche nuageuse habituelle. De telles tempêtes peuvent exister pendant des heures ou des siècles^[49].

La Grande Tache rouge est entourée d'un ensemble complexe d'ondes de turbulence qui peuvent donner naissance à un ou plusieurs petits anticyclones satellites. Restant à une distance stable de l'équateur, elle possède une période de rotation propre, légèrement différente du reste de l'atmosphère avoisinante, parfois plus lente, d'autres fois plus rapide : depuis l'époque où elle est connue, elle a fait plusieurs fois le tour de Jupiter par rapport à son environnement proche.

En l'an 2000, une autre tache s'est formée dans l'hémisphère sud, similaire en apparence à la Grande Tache rouge, mais plus petite. Elle a été créée par la fusion de plusieurs tempêtes ovales blanches plus petites (observées pour la première fois en 1938). La tache résultante, nommée Oval BA et surnommée Red Spot Junior (Petite Tache rouge en anglais, par rapport à la grande appelée Great Red Spot), a depuis accru son intensité et est passée du blanc au rouge^{[40],[50],[42]}.

Magnétosphère

Une représentation d'artiste du concept de magnétosphère :
1 : Onde de choc
2 : Magnétogaine
3 : Magnétopause
4 : Magnétosphère
5 : Lobe de magnéto-queue boréale
6 : Lobe de magnéto-queue australe
7 : Tore de plasma de Io

Tore de plasma de Io (en rouge), tube de flux (en vert) et les lignes du champ magnétique (en bleu)

Jupiter possède un champ magnétique, 14 fois plus puissant que celui de la Terre, allant de 4,2 G à l'équateur à 10 à 14 G aux pôles, ce qui en fait le plus intense du Système solaire (à l'exception des taches solaires)^[11]. Les données transmises par la sonde Juno font état d'un champ magnétique global de 7,776 G, soit près de deux fois plus intense que le champ précédemment estimé^[51]. Il proviendrait des mouvements de la couche très conductive d'hydrogène métallique qui, par sa rotation rapide (Jupiter fait un tour sur elle-même en moins de dix heures), agit comme une immense dynamo. La magnétosphère de la planète correspond à la région où le champ magnétique de Jupiter est prépondérant sur toute autre force^[52].

La magnétosphère possède une forme globale semblable à une goutte d'eau très distendue. La partie incurvée fait toujours face au Soleil et dévie le vent solaire, provoquant un arc de choc à environ 75 rayons de la planète (3 millions de km). À l'opposé de Jupiter et du Soleil, une immense magnéto-queue s'étend par-delà l'orbite de Saturne, sur une distance de 650 millions de km, soit presque la distance entre Jupiter et le Soleil^[53]. Vu de la Terre, la magnétosphère apparaît cinq fois plus grande que la pleine Lune, malgré la distance. La magnétosphère est entourée d'une magnétopause, située sur le bord interne d'une magnétogaine où le champ magnétique de la planète décroît et se désorganise. Les quatre lunes principales de Jupiter sont à l'intérieur de la magnétosphère et donc protégées des vents solaires^[20].

La magnétosphère de Jupiter est à l'origine de deux structures spectaculaires : le tore de plasma de Io, et le tube de flux de Io. Le différentiel de vitesse entre le champ magnétique en rotation rapide de Jupiter (un tour en 10 heures environ) et la rotation plus lente de Io autour de Jupiter (un tour en 40 heures) arrache de l’atmosphère de Io (ainsi que d'Europe, dans une moindre mesure) environ une tonne d'ions de soufre et d'oxygène par seconde et accélère ces ions à grande vitesse, de sorte qu'ils effectuent également un tour de Jupiter en dix heures. Ces ions forment un gigantesque tore autour de Jupiter, dont le diamètre équivaut au diamètre de Jupiter elle-même. L'interaction du tore avec Io génère une différence de potentiel de 400 000 volts avec la surface de Jupiter, produisant un puissant courant de plusieurs millions d'ampères qui circule entre Io et les pôles de Jupiter, formant un tube de flux suivant les lignes de champ magnétique^[54]. Ce phénomène produit une puissance de l'ordre de 2,5 térawatt^[54].

La situation d'Io, à l'intérieur d'une des plus intenses ceintures de rayonnement de Jupiter, a interdit un survol prolongé du satellite par la sonde Galileo qui a dû se contenter de 6 survols rapides de la lune galiléenne entre 1999 et 2002, en se gardant de pénétrer au sein du tore de particules englobant l'orbite du satellite, particules qui auraient été fatales au fonctionnement de la sonde^[55],[56].

Des particules d'hydrogène de l'atmosphère jovienne sont également capturées dans la magnétosphère. Les électrons de la magnétosphère provoquent un intense rayonnement radio dans une large gamme de fréquence (de quelques kilohertz à 40 MHz^[57]). Lorsque la trajectoire de la Terre intercepte ce cône d'émissions radio, celles-ci dépassent les émissions radio en provenance du Soleil^[58].

La magnétosphère jovienne permet la formation d'impressionnantes aurores polaires. Les lignes de champ magnétique entraînent des particules à très haute énergie vers les régions polaires de Jupiter. L'intensité du champ magnétique est 10 fois supérieure à celui de la Terre et en transporte 20 000 fois l'énergie.

Formation et migration

Jupiter est très probablement la plus ancienne planète du Système solaire^[59]. Les modèles actuels au sujet de la formation du Système solaire suggèrent que Jupiter s'est formé au niveau ou au-delà de la ligne des glaces, c'est-à-dire à une distance du proto-Soleil où la température est suffisamment froide pour que des substances volatiles comme l'eau se condensent en solides^[60]. En conséquence, le noyau planétaire a dû se former avant que la nébuleuse solaire ne commence à se dissiper, après environ 10 millions d'années. Les modèles de formation suggèrent que Jupiter a atteint 20 fois la masse terrestre en moins d'un million d'années. La masse en orbite crée un vide dans le disque, puis augmente lentement jusqu'à 50 masses terrestres en 3 à 4 millions d'années^[59].

Selon l'hypothèse du Grand Tack, Jupiter aurait commencé à se former à une distance d'environ 3,5 UA. Au fur et à mesure que la jeune planète accrète de la masse, l'interaction avec le disque de gaz orbitant autour du Soleil et les résonances orbitales avec Saturne la font migrer vers l'intérieur, ce qui aurait perturbé les orbites de ce que l'on pense être des proto-planètes orbitant plus près du Soleil et provoqué des collisions destructrices entre elles^[60],[61]. Saturne aurait ensuite commencé à migrer également vers l'intérieur, beaucoup plus rapidement que Jupiter, ce qui aurait conduit les deux planètes à se verrouiller dans une résonance de mouvement moyen 3:2 à environ 1,5 UA. Cela aurait ensuite modifié la direction de la migration en s'éloignant du Soleil jusqu'à près de leurs orbites actuelles^[62]. Ces migrations se seraient produites sur une période de 800 000 ans environ 3 millions d'années après la formation de la planète^[61],[63]. Ce départ aurait permis la formation des planètes intérieures à partir des décombres, y compris la Terre^[64].

Cependant, les échelles de temps de formation des planètes terrestres résultant de l'hypothèse du Grand Tack semblent incompatibles avec la composition terrestre mesurée^[65]. De plus, la probabilité que la migration vers l'extérieur se soit réellement produite dans la nébuleuse solaire est très faible^[66]. Certains autres modèles prédisent par ailleurs la formation d'analogues de Jupiter dont les propriétés sont proches de celles de la planète à l'époque actuelle^[67]. La formation de Jupiter aurait également pu avoir lieu à une distance beaucoup plus grande, comme 18 UA^[68],[69]. Saturne, Uranus et Neptune se seraient formées encore plus loin que Jupiter, et Saturne aurait également migré vers l'intérieur.

Orbite

Jupiter (rouge) complète son orbite autour du Soleil (centre) chaque 11,86 orbites de la Terre (bleue).

La distance moyenne entre Jupiter et le Soleil est de 778 300 000 km (environ 5,2 fois la distance moyenne entre la Terre et le Soleil) et la planète boucle une orbite en 11,86 ans. L'orbite de Jupiter est inclinée de 1,31° par rapport à celle de la Terre. Du fait d'une excentricité de 0,048, la distance entre Jupiter et le Soleil varie de 75 000 000 km entre le périhélie et l'aphélie^[1],[70].

Jupiter était au périhélie le 17 mars 2011^[71] et à l'aphélie le 17 février 2017^[72].

Rotation

L'inclinaison de l'axe de Jupiter est relativement faible : seulement 3,13°. En conséquence, la planète n'a pas de changements saisonniers significatifs^[73].

La rotation de Jupiter est la plus rapide du Système solaire : la planète effectue une rotation sur son axe en un peu moins de 10 h ; cette rotation produit une accélération centrifuge à l'équateur, y conduisant à une accélération nette de 23,12 m/s² (la gravité de surface à l'équateur est de 24,79 m/s²). La planète a ainsi une forme oblate, renflée à l'équateur et aplatie aux pôles, un effet facilement perceptible depuis la Terre à l'aide d'un télescope amateur. Le diamètre équatorial est 9 275 km plus long que le diamètre polaire^[29].

Jupiter n'étant pas un corps solide, sa haute atmosphère subit un processus de rotation différentielle. La rotation de la haute atmosphère jovienne est environ cinq minutes plus longue aux pôles qu'à l'équateur. En conséquence, trois systèmes sont utilisés comme référentiel, particulièrement pour tracer les mouvements de caractéristiques atmosphériques. Le premier système concerne les latitudes entre 10° N et 10° S, le plus court, d'une période de 9 h 50 min 30 s. Le deuxième s'applique aux latitudes au nord et au sud de cette bande, d'une période de 9 h 55 min 40,6 s. Le troisième système, initialement défini par les radio-astronomes, correspond à la rotation de la magnétosphère de la planète : sa période est la période « officielle », 9 h 55 min 30 s^[74].

Satellites naturels

En 2023, 92 satellites naturels de Jupiter sont confirmés^[75],[76]. C'est la deuxième planète du système solaire par le nombre de ses satellites naturels connus. Quatre sont de très grands satellites, connus depuis plusieurs siècles et regroupés sous la dénomination de « lunes galiléennes » : Io, Europe, Ganymède et Callisto^[77]. Sur les 67 lunes, 60 font moins de Modèle:Unité- de diamètre^[78].

Parmi les lunes de Jupiter, huit sont des satellites réguliers avec des orbites progrades et presque circulaires qui ne sont pas très inclinées par rapport au plan équatorial de Jupiter. Quatre d'entre eux sont les satellites galiléens tandis que les autres satellites réguliers sont beaucoup plus petits et plus proches de Jupiter, servant de sources pour la poussière qui compose les anneaux de Jupiter. Le reste des lunes de Jupiter sont des satellites irréguliers dont les orbites progrades ou rétrogrades sont beaucoup plus éloignées de Jupiter et présentent des inclinaisons et des excentricités élevées. Ces lunes ont probablement été capturées par Jupiter.

Les 16 principaux satellites sont nommés d'après les conquêtes amoureuses de Zeus, l'équivalent grec du dieu romain Jupiter.

Satellites galiléens

Photos d'Hubble d'un triple transit devant Jupiter par Europe, Callisto et Io le 24 janvier 2015^[79].

Les satellites galiléens, ou lunes galiléennes, sont les quatre plus grands satellites naturels de Jupiter. Par ordre d'éloignement à la planète, il s'agit de Io, Europe, Ganymède et Callisto. Ils sont observés pour la première fois par Galilée en janvier 1610 grâce à l'amélioration de sa lunette astronomique et leur découverte est publiée dans Sidereus nuncius en mars 1610. Ils sont alors les premiers satellites naturels découverts en orbite autour d'une autre planète que la Terre, ceci remettant grandement en cause le modèle géocentrique défendu par de nombreux astronomes de l'époque et prouvant l'existence d'objets célestes invisibles à l'œil nu.

Si Galilée les nomme initialement Medicea Sidera en français : « étoiles médicéennes » en l'honneur de la maison de Médicis, les noms qui entrent dans la postérité sont ceux choisis par Simon Marius — qui revendiquait par ailleurs la paternité de la découverte des lunes — d'après une suggestion de Johannes Kepler. Ces dénominations correspondent à des personnages de la mythologie grecque, maîtresses et amants de Zeus (Jupiter dans la mythologie romaine), soit respectivement Io, une prêtresse d'Héra et fille d'Inachos ; Europe, fille d'Agénor ; Ganymède, échanson des dieux ; et Callisto, une nymphe d'Artémis.

Animation de la résonance de Laplace de Io, Europe et Ganymède.

Ces satellites sont parmi les plus grands objets du Système solaire à l'exception du Soleil et des huit planètes, tous étant plus grands que les planètes naines. En particulier, Ganymède est avec ses 5 262 km de diamètre la lune la plus grande et la plus massive du Système solaire, dépassant en taille la planète Mercure. Callisto, 4 821 km de diamètre, est à peu de chose près aussi grand que Mercure. Io et Europe ont une taille similaire à celle de la Lune. Représentant 99,997 % de la masse en orbite autour de Jupiter, elles restent les seules lunes connues de la planète pendant près de trois siècles jusqu'à la découverte en 1892 de la cinquième plus grande, Amalthée, dont le diamètre est bien plus faible avec 262 km pour sa plus grande dimension. Ce sont également les seules lunes de Jupiter suffisamment massives pour être sphériques.

Par ailleurs, les trois lunes intérieures, Io, Europe et Ganymède, sont le seul exemple connu de résonance de Laplace : les trois corps sont en résonance orbitale 4:2:1. Ainsi, quand Ganymède tourne une fois autour de Jupiter, Europe tourne exactement deux fois et Io quatre fois. En conséquence, les orbites de ces lunes sont déformées elliptiquement, chacune d'elles recevant en chaque point de son orbite une de la part des deux autres. En revanche, les forces de marées de Jupiter tendent à rendre leurs orbites circulaires^[80]. Ces deux forces déforment chacune de ces trois lunes quand elles s'approchent de la planète, provoquant un réchauffement de leur noyau. En particulier, Io présente une activité volcanique intense et Europe un remodelage constant de sa surface.

Structures de surface des quatre lunes avec différents niveaux d'agrandissement.

Anneaux planétaires

Schéma des anneaux de Jupiter par rapport aux orbites de certaines de ses lunes.

Jupiter possède plusieurs anneaux planétaires, très fins, composés de particules de poussières continuellement arrachées aux lunes les plus proches de la planète lors de micro-impacts météoriques du fait de l'intense champ gravitationnel de la planète^[82]. Ces anneaux sont en fait tellement fins et sombres qu'ils ne furent découverts que lorsque la sonde Voyager 1 s'approcha de la planète en 1979. Du plus près au plus lointain du centre de la planète, les anneaux sont regroupés en trois grandes sections^[83] :

• le halo : entre 92 000 km et 122 500 km du centre de la planète ; le halo est un anneau en forme de tore, élargi par le champ magnétique de Jupiter ;
• l'anneau principal : entre 122 500 km et 128 940 km du centre de Jupiter et épais de seulement 30 km ; il est probablement composé de poussières provenant des satellites Adrastée et Métis ;
• l'anneau gossamer : entre 128 940 km et 280 000 km du centre. Avant 181 350 km, il est constitué de poussières provenant d'Amalthée^[82]. Après, elles proviennent de Thébé. Cet anneau est très peu dense (gossamer signifie « gaze » en anglais), nettement plus épais que le précédent (plusieurs milliers de kilomètres) et s'évanouit progressivement dans le milieu interplanétaire.

Ces anneaux sont constitués de poussières et non de glace comme c'est le cas des anneaux de Saturne^[20]. Ils sont également extrêmement sombres, avec un albédo de l'ordre de 0,05.

Il existe également un anneau externe extrêmement ténu et distant qui tourne autour de Jupiter en sens rétrograde. Son origine est incertaine, mais pourrait provenir de poussière interplanétaire capturée^[84].

Interaction avec le Système solaire

Diagramme des astéroïdes troyens dans l'orbite de Jupiter, ainsi que de la ceinture d'astéroïdes.

Avec celle du Soleil, l'influence gravitationnelle de Jupiter a modelé le Système solaire. Les orbites de la plupart des planètes sont plus proches du plan orbital de Jupiter que du plan équatorial du Soleil (Mercure est la seule qui fasse exception). Les lacunes de Kirkwood dans la ceinture d'astéroïdes sont probablement dues à Jupiter et il est possible que la planète soit responsable du grand bombardement tardif que les planètes internes ont connu à un moment de leur histoire^[85].

La majorité des comètes de courte période possèdent un demi-grand axe plus petit que celui de Jupiter. On suppose que ces comètes se sont formées dans la ceinture de Kuiper au-delà de l'orbite de Neptune. Lors d'approches de Jupiter, leur orbite aurait été perturbée vers une période plus courte, puis rendue circulaire par interaction gravitationnelle régulière du Soleil et de Jupiter. Par ailleurs, Jupiter est la planète qui reçoit le plus fréquemment des impacts cométaires^[86]. C'est en grande partie dû à son puits gravitationnel, ce qui lui vaut le surnom « d'aspirateur du Système solaire ». L'idée répandue selon laquelle Jupiter « protège » de cette manière les autres planètes est cependant très discutable, dans la mesure où sa force gravitationnelle dévie aussi des objets vers les planètes qu'elle serait censée protéger^[87].

Astéroïdes troyens

En plus de ses lunes, le champ gravitationnel de Jupiter maintient un grand nombre d'astéroïdes situés aux alentours des points de Lagrange L₄ et L₅ de l'orbite de Jupiter^[88]. Il s'agit de petits corps célestes qui ont la même orbite mais sont situés à 60° en avance ou en retard par rapport à Jupiter. Connus sous le nom d'astéroïdes troyens, le premier d'entre eux (588) Achille a été découvert en 1906 par Max Wolf ; depuis, des centaines d'autres troyens ont été découverts, le plus grand étant (624) Hector.

Observation radioélectrique

Antenne-dipôle de radiotélescope. Radioastronomie amateur.

Avec un simple récepteur radio d'ondes courtes dans la bande des 13 mètres, et avec comme antenne un fil électrique de 3,5 mètres ou, mieux encore, avec une antenne-dipôle horizontale de deux éléments de 3,5 mètres, il est simple d'intercepter le bruit radio-électromagnétique de la planète Jupiter en AM, sur la fréquence de 21,86 MHz^[96], donnant le bruit de petites vagues rapides écoutées sur haut-parleur^[97].

La radioastronomie poussée de Jupiter est réalisée avec du matériel professionnel de réception, dans les bandes radios dédiées^[98].

Observations pré-télescopiques

Jupiter est visible à l'œil nu la nuit et est connue depuis l'Antiquité. Pour les Babyloniens, elle représentait le dieu Marduk ; ils utilisèrent les douze années de l'orbite jovienne le long de l'écliptique pour définir le zodiaque. Les Romains nommèrent la planète d'après le dieu Jupiter, dérivé du « dieu-père » *Dyḗus ph₂tḗr de la religion proto-indo-européenne^[99]. Le symbole astronomique de Jupiter est une représentation stylisée d'un éclair du dieu. Les Grecs l'appelèrent Φαέθων, Phaethon, « ardent ».

Dans les cultures chinoise, coréenne, japonaise et vietnamienne, Jupiter est appelée 木星 « l'étoile de bois », dénomination basée sur les cinq éléments^[100]. Dans l'astrologie védique, les astrologues hindous font référence à Jupiter en tant que Bṛhaspati, ou « Gurû », c'est-à-dire « le pesant »^[101].

Le nom « jeudi » est étymologiquement le « jour de Jupiter ». En hindi, jeudi se dit गुरुवार (guruvār) et possède le même sens. En anglais, Thursday fait référence au jour de Thor, lequel est associé à la planète Jupiter dans la mythologie nordique. En japonais, ceci se retrouve également : le jeudi se dit mokuyōbi (木曜日) en référence à l'étoile Jupiter, mokusei (木星). La même similitude entre les langues occidentales et le japonais se retrouve entre toutes les planètes et les jours de la semaine. En effet, l'attribution des noms de jours de la semaine étant un ajout relativement récent à la langue japonaise, elle fut alors calquée sur les civilisations européennes.

Observations télescopiques terrestres

Impact de fragments de la comète Shoemaker-Levy 9.

En janvier 1610, Galilée découvre les quatre satellites qui portent son nom, en braquant sa lunette vers la planète. Cette observation des premiers corps tournant autour d'un autre corps que la Terre sera pour lui une indication de la validité de la théorie héliocentrique. Son soutien à cette théorie lui a valu les persécutions de l'Inquisition^[102].

Pendant les années 1660, Cassini utilise un télescope pour découvrir des taches et des bandes de couleur sur Jupiter et observer que la planète semblait oblongue. Il fut également capable d'estimer la période de rotation de la planète^[36]. En 1690, il remarque que l'atmosphère subit une rotation différentielle^[20].

La Grande Tache rouge a peut-être été observée en 1664 par Robert Hooke et en 1665 par Jean-Dominique Cassini, mais ceci est contesté. Heinrich Schwabe en produit le premier dessin détaillé connu en 1831^[103]. La trace de la tache est perdue à de nombreuses reprises entre 1665 et 1708 avant de redevenir flagrante en 1878. En 1883 et au début du XX^e siècle, il est estimé qu'elle s'estompait à nouveau^[104].

Giovanni Borelli et Cassini ont réalisé des éphémérides des lunes galiléennes. La régularité de la rotation des quatre satellites galiléens sera utilisée fréquemment dans les siècles suivants, leurs éclipses par la planète elle-même permettant de déterminer l'heure à laquelle était effectuée l'observation. Cette technique sera utilisée un temps pour déterminer la longitude en mer. Dès les années 1670, on constate que ces évènements se produisaient avec 17 minutes de retard lorsque Jupiter se trouvait à l'opposé de la Terre par rapport au Soleil. Ole Christensen Rømer en déduit que l'observation n'était pas instantanée et effectua en 1676 une première estimation de la vitesse de la lumière^[105].

En 1892, Edward Barnard découvre Amalthée, le cinquième satellite de Jupiter, à l'aide du télescope de l'observatoire Lick en Californie^[106]. La découverte de cet objet assez petit le rendit célèbre rapidement. Ensuite furent découverts : Himalia (1904), Élara (1905), Pasiphaé (1908), Sinopé (1914), Lysithéa et Carmé (1938), Ananké (1951). Pendant les années 1970, deux autres satellites furent observés à partir de la Terre : Léda (1974) et Thémisto (1975), qui fut ensuite perdu puis retrouvé en 2000 - les suivants le furent lors de la mission Voyager 1 en 1979^[107], puis d’autres par la suite, pour arriver en 2014 à un total de 67 satellites.

En 1932, Rupert Wildt identifie des bandes d'absorption d'ammoniaque et de méthane dans le spectre de Jupiter^[108].

Trois phénomènes anticycloniques, de forme ovale, furent observés en 1938. Pendant plusieurs décennies, ils restèrent distincts. Deux des ovales fusionnèrent en 1998 et absorbèrent le troisième en 2000. C'est le Oval BA^[109].

En 1955, Bernard Burke (en) et Kenneth Franklin détectent des accès de signaux radios en provenance de Jupiter à 22,2 MHz^[20]. La période de ces signaux correspondait à celle de la rotation de la planète et cette information permit d'affiner cette dernière. Les pics d'émission ont des durées qui peuvent être de quelques secondes ou de moins d'un centième de seconde^[110].

Entre le 16 juillet et le 22 juillet 1994, l'impact de la comète Shoemaker-Levy 9 sur Jupiter permet de recueillir de nombreuses nouvelles données sur la composition atmosphérique de la planète. Plus de 20 fragments de la comète sont entrés en collision avec l'hémisphère sud de Jupiter, fournissant la première observation directe d'une collision entre deux objets du Système solaire. L'évènement, qui constitue une première dans l'histoire de l'astronomie, a été suivi par des astronomes du monde entier^[111],[112].

Le 21 juillet 2009, les astronomes ont observé un nouvel impact sur le pôle sud, de la taille de l'océan Pacifique^[113]. Si l'impact n'a pu être suivi en direct, c'est l'astronome amateur australien Anthony Wesley qui, le premier, signala ces observations. La NASA émet l'hypothèse que la cause soit attribuée à une comète. En effet, les observations ont relevé la présence d'une tache avec une remontée de particules brillantes dans l'atmosphère supérieure, accompagnée d'un échauffement de la troposphère et d'émissions de molécules d'ammoniac. Autant d'indices corroborant un impact et non un phénomène météorologique interne à la planète^{[114],[115],[116]}.

Le 13 octobre 2015, la NASA publie une vidéo très détaillée de la surface de la planète captée par le télescope spatial Hubble montrant la rotation de la planète et des détails extrêmement précis de sa surface^[117]. Les premières observations des scientifiques publiées dans The Astrophysical Journal^[118] et synthétisées par la NASA^[119] révèlent que la fameuse tache rouge de Jupiter va en se rétrécissant et qu'elle renferme une sorte de filament vaporeux qui en barre la surface et se déforme sous l'action de vents pouvant atteindre les 540 km/h. En 2020, la tache a une largeur de 15 800 km^[120].

Exploration spatiale

Survols

Voyager 2.

À partir de 1973, plusieurs sondes spatiales ont effectué des manœuvres de survol qui les ont placées à portée d'observation de Jupiter. Les missions Pioneer 10 et Pioneer 11 obtinrent les premières images rapprochées de l'atmosphère de Jupiter et de plusieurs de ses lunes. Elles décrivirent que les champs électromagnétiques dans l'entourage de la planète étaient plus importants qu'attendus, mais les deux sondes y survécurent sans dommage. Les trajectoires des engins permirent d'affiner les estimations de masse du système jovien. Les occultations de leurs signaux radios par la planète géante conduisirent à de meilleures mesures du diamètre et de l'aplatissement polaire^[12],[121].

Six ans plus tard, les missions Voyager améliorèrent les connaissances des lunes galiléennes et découvrirent les anneaux de Jupiter. Elles prirent les premières images détaillées de l'atmosphère et confirmèrent que la grande tache rouge était d'origine anticyclonique (une comparaison d'images indiqua que sa couleur avait changé depuis les missions Pioneer). Un tore d'atomes ionisés fut découvert le long de l'orbite de Io et des volcans furent observés à sa surface. Alors que les engins passèrent derrière la planète, ils observèrent des flashs lumineux dans l'atmosphère^[12],[122].

Visualisation colorisée de cyclones au pôle Nord de Jupiter photographiés par la sonde Juno.

La mission suivante, la sonde spatiale Ulysses, effectua une manœuvre de survol en 1992 afin d'atteindre une orbite polaire autour du Soleil et effectua alors des études de la magnétosphère de Jupiter. Aucune photographie ne fut prise, la sonde ne possédant aucune caméra. Un second survol nettement plus lointain se produisit en 2004^[123].

En décembre 2000, la sonde Cassini, en route pour Saturne, survola Jupiter et prit des images en haute résolution de la planète. Le 19 décembre 2000, elle prit une image de faible résolution d'Himalia, alors trop lointaine pour observer des détails de la surface^[124].

La sonde New Horizons, en route pour Pluton, survola Jupiter pour une manœuvre d'assistance gravitationnelle. L'approche minimale s'effectua le 28 février 2007^[125]. Le système jovien fut imagé à partir du 4 septembre 2006 ; les instruments de la sonde affinèrent les éléments orbitaux des lunes internes de Jupiter^[126]. Les caméras de New Horizons photographièrent des dégagements de plasma par les volcans de Io et plus généralement des détails des lunes galiléennes^[127],[128].

Résumé des survols

Sonde	Date	Distance (km)
Pioneer 10	3 décembre 1973	130 000
Pioneer 11	4 décembre 1974	34 000
Voyager 1	5 mars 1979	349 000
Voyager 2	9 juillet 1979	570 000
Ulysses	8 février 1992[123]	408 894
	4 février 2004[123]	120 000 000
Cassini	30 décembre 2000	10 000 000
New Horizons	28 février 2007	2 304 535

Galileo

La sonde Galileo en préparation.

Jusqu'à l'arrivée de la sonde Juno le 5 juillet 2016, la sonde Galileo était le seul engin à avoir orbité autour de Jupiter. Galileo entra en orbite autour de la planète le 7 décembre 1995, pour une mission d'exploration de près de huit années. Elle survola à de nombreuses reprises les satellites galiléens et Amalthée, apportant des preuves à l'hypothèse d'océans liquides sous la surface d'Europe et confirmant le volcanisme d'Io. La sonde fut également témoin de l'impact de la comète Shoemaker-Levy 9 en 1994 lors de son approche de Jupiter. Cependant, bien que les informations récupérées par Galileo aient été nombreuses, l'échec du déploiement de son antenne radio à grand gain limita les capacités initialement prévues^[129].

Galileo lâcha une petite sonde vers l'intérieur de l'atmosphère jovienne pour en étudier la composition en juillet 1995. Cette sonde pénétra l'atmosphère le 7 décembre 1995. Elle fut freinée par un parachute sur 150 km d'atmosphère, collectant des données pendant 57,6 minutes avant d'être écrasée par la pression (22 fois la pression habituelle sur Terre, à une température de 153 °C). Elle a fondu peu après, et s'est probablement vaporisée ensuite. Un destin que Galileo expérimenta de façon plus rapide le 21 septembre 2003, lorsqu'elle fut délibérément projetée dans l'atmosphère jovienne à plus de 50 km/s, afin d'éviter toute possibilité d'écrasement ultérieur sur Europe^[129].

Juno

Vue d'artiste de la sonde Juno.

La NASA a lancé en août 2011 la sonde Juno, qui s'est placée le 5 juillet 2016 en orbite polaire autour de Jupiter pour mener une étude détaillée de la planète^[130]. Elle poursuit cette étude depuis juillet 2016, et si elle survit aux rayonnements^{[131],[132],[133],[134]}, on prévoit qu'elle continuera à le faire jusqu'en septembre 2025.

Littérature

Dans le conte philosophique Micromégas de Voltaire (1752), le personnage éponyme fait un voyage sur Jupiter.

La nouvelle de science-fiction d'Edgar Rice Burroughs Les Hommes-squelettes de Jupiter (Skeleton Men of Jupiter), parue en 1943 dans le magazine Amazing Stories puis réuni en volume dans John Carter of Mars en 1964, met en scène une aventure du héros John Carter kidnappé sur Mars et emmené sur Jupiter par certains de ses nombreux ennemis^[137].

En 1942, Isaac Asimov a écrit une nouvelle humoristique, parue dans Starling Stories et intitulée Noël sur Ganymède. Elle fait partie d'un recueil de sept nouvelles publié en 1972.

Musique

« Jupiter, celui qui apporte la gaîté » est le quatrième mouvement de l'œuvre pour grand orchestre Les Planètes, composée et écrite par Gustav Holst entre 1914 et 1917 (créée en 1918).

Cinéma

Dans 2001, l'Odyssée de l'espace (1968) de Stanley Kubrick, le personnage principal effectue une mission dans laquelle il se rend sur Jupiter. Les chapitres s'intitulent d'ailleurs La mission Jupiter et Jupiter et au-delà de l'infini. Dans sa suite 2010 : L'Année du premier contact (1984), Jupiter est transformée en étoile par une armée de monolithes.

L'une des scènes du film Jupiter : Le Destin de l'univers (2015) se passe sur Jupiter autour et sous la Grande Tache rouge qui cache une usine géante. De plus, Jupiter est le prénom du personnage principal féminin.

Symbole

Le symbole astronomique de la planète est « ♃ », qui serait une représentation stylisée du foudre de Jupiter, ou bien serait dérivé d'un hiéroglyphe^[138] ou, comme cela ressortirait de certains papyrus d'Oxyrhynque, de la lettre grecque zêta, initiale du grec ancien Ζεύς (Zeús)^[139]. L'Union astronomique internationale recommande cependant de substituer au symbole astronomique « ♃ » l'abréviation « J », correspondant à la lettre capitale J de l'alphabet latin, initiale de l'anglais Jupiter^[140].

Notes

Références

Bibliographie

• Guillaume Cannat et Didier Jamet, Jupiter et Saturne en direct, Eyrolles, 2005, 125 p. (ISBN 978-2212116915)
• (en) F. Bagenal, T. E. Dowling et W. B. McKinnon (Eds.), Jupiter : The planet, satellites, and magnetosphere, Cambridge University Press, 2004
• (en) John H. Rogers, The giant planet Jupiter, Cambridge University Press, 1995, 418 p. (ISBN 9780521410083, lire en ligne)

Articles connexes

• Atmosphère de Jupiter
• Anneaux de Jupiter
• Éclipse solaire sur Jupiter
• Exploration de Jupiter
• Jupiter chaud, une classe d'exoplanètes
• Satellites naturels de Jupiter
• Système solaire

Liens externes

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  • Japon
  • Israël
  • Tchéquie
• (en) « Jupiter » [html], sur oxfordindex.oup.com
• Jupiter - pioneer-astro
• Le Système Solaire - Jupiter
• Explorations joviennes CNRS-INSU, janvier 2023
• (en) Jupiter the Largest Documentaire vidéo
• Le télescope spatial Webb révèle les très fins anneaux de Jupiter / James-Webb (télescope spatial)

• (en) « Jupiter from the Webb Space Telescope », sur Astronomy Picture of the Day, NASA, 30 août 2022 (consulté le 30 août 2022) (traduction/adaptation française)

• (en) « Jupiter in Infrared from Gemini », sur Astronomy Picture of the Day, NASA, 13 mai 2020 (consulté le 23 novembre 2022) (traduction/adaptation française).