Peroxyde d’hydrogène détecté aux pôles de Ganymède ; monoxyde de soufre des volcans d’Io

Dans deux publications distinctes, des astronomes qui font partie du programme Early Release Science du JWST rapportent la première détection de peroxyde d’hydrogène sur Ganymède et de vapeurs sulfureuses sur Io, tous deux résultant de l’influence dominatrice de Jupiter.

“Cela montre que nous pouvons faire de la science incroyable avec le télescope spatial James Webb sur des objets du système solaire, même si l’objet est vraiment très brillant, comme Jupiter, mais aussi lorsque vous regardez des choses très faibles à côté de Jupiter”, a déclaré Imke de Pater. , professeur émérite d’astronomie et de sciences terrestres et planétaires à l’Université de Californie à Berkeley. De Pater et Thierry Fouchet de l’Observatoire de Paris sont les co-chercheurs principaux de l’équipe d’observation du système solaire Early Release Science, l’une des 13 équipes ayant un accès anticipé au télescope.

Samantha Trumbo, une boursière postdoctorale 51 Pegasi b à l’Université Cornell, a dirigé l’étude de Ganymède, qui a été publiée le 21 juillet dans la revue Les avancées scientifiques. À l’aide de mesures capturées par le spectromètre infrarouge proche (NIRSpec) sur JWST, l’équipe a détecté l’absorption de la lumière par le peroxyde d’hydrogène — H₂O₂ — autour des pôles nord et sud de la lune, à la suite de particules chargées autour de Jupiter et de Ganymède impactant la glace qui recouvre la lune.

“JWST révélant la présence de peroxyde d’hydrogène aux pôles de Ganymède montre pour la première fois que des particules chargées canalisées le long du champ magnétique de Ganymède modifient préférentiellement la chimie de surface de ses calottes polaires”, a déclaré Trumbo.

Les astronomes soutiennent que le peroxyde est produit par des particules chargées frappant la glace d’eau gelée autour des pôles et brisant les molécules d’eau en fragments – un processus appelé radiolyse – qui se recombinent ensuite pour former H₂O₂. Ils soupçonnaient que la radiolyse se produirait principalement autour des pôles de Ganymède car, contrairement à toutes les autres lunes de notre système solaire, elle possède un champ magnétique qui dirige les particules chargées vers les pôles.

“Tout comme la façon dont le champ magnétique terrestre dirige les particules chargées du soleil vers les latitudes les plus élevées, provoquant les aurores, le champ magnétique de Ganymède fait la même chose aux particules chargées de la magnétosphère de Jupiter”, a-t-elle ajouté. “Non seulement ces particules provoquent des aurores à Ganymède, mais elles ont également un impact sur la surface glacée.”

Trumbo et Michael Brown, professeur d’astronomie planétaire à Caltech, où Trumbo a récemment obtenu son doctorat, avaient auparavant étudié le peroxyde d’hydrogène sur Europa, un autre des quatre satellites galiléens de Jupiter. Sur Europe, cependant, le peroxyde était détectable sur une grande partie de la surface, peut-être, en partie, parce qu’il n’a pas de champ magnétique pour protéger la surface des particules en mouvement rapide qui se déplacent autour de Jupiter.

“Il s’agit probablement d’un processus très important et répandu”, a déclaré Trumbo. “Ces observations de Ganymède fournissent une fenêtre clé pour comprendre comment une telle radiolyse de l’eau pourrait entraîner la chimie sur les corps glacés dans tout le système solaire externe, y compris sur les voisins Europe et Callisto (la quatrième lune galiléenne).”

“Cela aide à comprendre réellement comment fonctionne cette soi-disant radiolyse et qu’en effet, cela fonctionne comme les gens s’y attendaient, sur la base d’expériences en laboratoire sur Terre”, a déclaré de Pater.

L’environnement sulfureux d’Io

Dans un deuxième article, accepté pour publication dans la revue JGR : Planètes, une publication de l’American Geophysical Union, de Pater et ses collègues rapportent de nouvelles observations Webb d’Io qui montrent plusieurs éruptions en cours, y compris un éclaircissement dans un complexe volcanique appelé Loki Patera et une éruption exceptionnellement brillante à Kanehekili Fluctus. Parce que Io est la seule lune volcaniquement active dans le système solaire – la poussée et la traction gravitationnelles de Jupiter la réchauffent – ​​des études comme celle-ci donnent aux scientifiques planétaires une perspective différente de celle qui peut être obtenue en étudiant les volcans sur Terre.

Pour la première fois, les chercheurs ont pu lier une éruption volcanique – à Kanehekili Fluctus – à une ligne d’émission spécifique, une ligne dite “interdite”, du gaz monoxyde de soufre (SO).

Dioxyde de soufre (SO₂) est le composant principal de l’atmosphère d’Io, issu de la sublimation de SO₂ glace, ainsi que des éruptions volcaniques en cours, similaires à la production de SO₂ par les volcans sur Terre. Les volcans produisent également du SO, qui est beaucoup plus difficile à détecter que le SO₂. En particulier, la raie d’émission interdite de SO est très faible car le SO est à des concentrations si faibles et n’est produit que peu de temps après avoir été excité. De plus, les observations ne peuvent être faites que lorsque Io est dans l’ombre de Jupiter, lorsqu’il est plus facile de voir les gaz SO incandescents. Quand Io est dans l’ombre de Jupiter, le SO₂ le gaz dans l’atmosphère d’Io gèle à sa surface, ne laissant que du SO et du SO volcanique nouvellement émis₂ gaz dans l’atmosphère.

“Ces observations avec Webb montrent pour la première fois que le SO provenait réellement d’un volcan”, a déclaré de Pater.

De Pater avait déjà fait des observations d’Io avec le télescope Keck à Hawaï et trouvé de faibles niveaux d’émission interdite de SO sur une grande partie de la lune, mais elle n’a pas été en mesure de lier spécifiquement les points chauds de SO à un volcan actif. Elle soupçonne qu’une grande partie de ce SO, ainsi que le SO₂ vu lors d’une éclipse, provient de volcans dits furtifs, qui émettent du gaz mais pas de poussière, ce qui les rendrait visibles.

Il y a vingt ans, de Pater et son équipe ont proposé que cet état excité de SO ne pouvait être produit que dans des évents volcaniques chauds, et que l’atmosphère ténue permettait à cet état de rester assez longtemps – quelques secondes – pour émettre la ligne interdite. . Normalement, les états excités qui produisent cette émission sont rapidement amortis par des collisions avec d’autres molécules dans l’atmosphère et ne sont jamais vus. Ce n’est que dans les parties de l’atmosphère où le gaz est rare que ces états excités durent assez longtemps pour émettre des raies interdites. Les verts et les rouges des aurores terrestres sont produits par des transitions interdites d’oxygène dans la haute atmosphère ténue.

“Le lien entre le SO et les volcans est lié à une hypothèse que nous avions en 2002 pour expliquer comment nous pouvions voir les émissions de SO”, a-t-elle déclaré. “La seule façon dont nous pourrions expliquer cette émission est si le SO est excité dans la cheminée volcanique à une température d’environ 1500 Kelvin, et qu’il sort dans cet état excité, perd son photon en quelques secondes, et c’est le Nous voyons donc ces observations sont les premières qui montrent réellement que c’est le mécanisme le plus probable de la raison pour laquelle nous voyons ce SO.

Webb observera à nouveau Io en août avec NIRSpec. L’observation à venir et la précédente, qui a eu lieu le 15 novembre 2022, ont été prises lorsque Io était dans l’ombre de Jupiter afin que la lumière réfléchie par la planète ne submerge pas la lumière provenant d’Io.

De Pater a également noté que l’éclaircissement de Loki Patera était cohérent avec la période d’éruptions observée sur le volcan, qui s’éclaircit, en moyenne, environ tous les 500 jours terrestres, l’éclaircissement durant quelques mois. Elle a déterminé cela parce qu’elle n’était pas brillante lorsqu’elle a observé la lune avec Keck en août et septembre 2022, ni lorsqu’un autre astronome l’a observée d’avril à juillet 2022. Seul le JWST a capturé l’événement.

“Les observations de Webb ont montré qu’en fait les éruptions avaient commencé et que c’était beaucoup plus brillant que ce que nous avions vu en septembre”, a-t-elle déclaré.

Alors que De Pater se concentre principalement sur le système jovien – ses anneaux, ses petites lunes et les plus grandes lunes Ganymède et Io – elle et d’autres membres de la première équipe scientifique de quelque 80 astronomes utilisent également JWST pour étudier les systèmes planétaires de Saturne , Uranus et Neptune.