Fiche pédagogique n°22
Autres passages dans le système solaire
Avec les éclipses solaires et lunaires, les passages de Vénus et Mercure devant
le Soleil font partie des évènements célestes les plus spectaculaires et les
plus populaires. Mais la plupart des gens ignore qu'il existe d'autres passages
dans le système solaire tel que le passage des satellites galiléens devant Jupiter.
Pour les planètes les plus éloignées, ce phénomène n'est pas observable depuis
la Terre car le disque apparent de ces planètes est très petit. Tout au plus
peut-on observer une planète éclipsant une autre planète lointaine, ce qu'on
appelle une occultation.
Il existe d'autres cas de planètes lointaines où les satellites tournent sur
des orbites équatoriales et coplanaires. Ces conditions sont parfaitement satisfaites
pour les quatre satellites de Jupiter : Io, Europe, Ganymède et Callisto. Ces
lunes ont été découvertes par Galilei Galileo au début du 17ème siècle. Nuit
après nuit, l'aspect changeant de ces quatre satellites naturels peut être observé
aux jumelles.
Galilei Galileo
L'observation de ces lunes durant des nuits consécutives montre leur apparition,
disparition et réapparition, sans règle particulière. On peut observer les quatre
lunes durant une nuit, seulement trois la nuit suivante; parfois seulement deux sont
visibles. La répartition apparente des lunes autour de la planète change, avec
parfois les quatre lunes d'un même côté, à un autre moment une à droite et trois
à gauche, etc. Ce que l'observateur voit est en fait la rotation des satellites
autour de la planète, comme un modèle réduit de notre système solaire !!!
Jupiter et ses satellites galiléens observés par les sondes spatiales
(credit: NASA)
Vus depuis la terre, les satellites galiléens se déplacent d'est
en ouest. Le satellite le plus proche de Jupiter, Io, effectue une révolution
autour de Jupiter en un peu moins de deux jours (environ 43 heures). Europe
orbite en 3,5 jours (environ 86 heures), Ganymède orbite en un peu plus
de 7 jours (environ 172 heures) et Callisto en un peu plus de 16,5 jours (environ
399 heures). Il est intéressant de noter que les orbites de Io, Europe
et Ganymède sont verrouillées ensemble : elles sont quasi circulaires
et leurs périodes sont dans un rapport 4:2:1 respectivement. Cela signifie
que Io effectue quatre révolutions autour de Jupiter pendant que Europa
en fait deux et Ganymède une seule. Cette relation entre orbites est
appelée résonance de Laplace. Callisto, le satellite le plus externe
n'est pas orbitalement lié aux autres satellites et tourne à son
rythme autour de Jupiter.
Orbites des satellites de Jupiter(crédit: Pignatelli)
Ci dessous sont présentées les caractéristiques des quatre
satellites :
Io:
Diamètre: 3630 km
Distance à la planète : 422 000 km
Sa couleur est due à des composés sulfurés issus des éruptions
volcaniques. Les éruptions, de type geyser, créent une surface
très jeune sans cratères d'impact. L'intérieur de Io est
chauffé par des phénomènes de marées dus au rapport
de périodes orbitales 1 :2 :4 avec les autres lunes. Un anneau de particules
chargées, appelé tore de Io, encercle Jupiter à la distance
de Io. Cet anneau présente des interactions avec le champ magnétique
de Jupiter et produit de fortes émissions radio. Io a peut-être
son propre champ magnétique !
Io vu par VOYAGER II (credit: NASA)
Europe:
Diamètre : 3138 km
Distance à la planète : 671 000 km
Europe est principalement composé de roche couverte d'une fine couche de glace
d'eau. Il est géologiquement actif et présente des indices en faveur de la présence
d'eau liquide (un océan ?) ou de glace sous la surface. Il n'y a pas de cratères
et un réseau de crevasses et de plaques de glaces couvrent sa surface. Les effets
de marées sont responsables du chauffage interne. Possibilité d'un champ magnétique
induit par la dissolution de minéraux dans un océan sous la surface ?
Europe vu par VOYAGER II (crédit: NASA)
Ganymède:
Diamètre : 5262 km (Mercure ne mesure que 4848 km !!!)
Distance à la planète : 1 070 000 km
Ce satellite a une surface glacée fortement marquée par des cratères.
Il y a des îles de vieille surface sombre séparées par des régions de terrain
plus jeune, fortement cannelé, de couleur claire. Ganymède est fortement
différencié avec un noyau métallique en son centre. Il a un fort champ magnétique
avec une magnétosphère. Le chauffage par effet de marées est faible actuellement,
mais a dû être très important par le passé.
Détail de surface de Ganymède (crédit: NASA)
Callisto:
Diamètre : 4806 km
Distance à la planète : 1 883 000 km
Il a une croûte de glace d'eau fortement couverte de cratères. Cette lune
a une activité géologique faible et n'a jamais subi de fort chauffage par effet
de marées. Un processus inconnu a effacé les cratères les plus petits et a couvert
la surface avec de la poussière très sombre. L'existence d'un champ magnétique
suggère la présence d'un océan peu profond sous la surface.
Vue de Callisto par Voyager II (crédit: NASA)
La nature inhabituelle des orbites des satellites n'est pas le seul centre d'intérêt
du système des lunes galiléennes. La terre tourne autour du Soleil à une distance
plus proche que Jupiter; vu de la terre, Jupiter est à l'opposition tous les 400
jours. Comme l'axe de rotation de Jupiter n'est incliné que de 3 degrés, les lunes
joviennes passent soit devant la planète, soit dans son cône d'ombre exactement
comme notre lune passe dans le cône d'ombre de la terre lors d'une éclipse de lune.
Le passage d'une des lunes de Jupiter devant le disque apparent de la planète est
également appelé transit ou passage, exactement comme pour le passage de Vénus ou
Mercure devant le soleil. Mais les passages de lunes devant Jupiter arrivent bien
plus souvent que les passages de Vénus ou Mercure devant le soleil ! Les lunes
joviennes sont assez brillantes (environ de 5ème magnitude), mais devant le disque
très lumineux de Jupiter, on peut les rater facilement. Juste avant le passage d'un
des satellites, il est facile de les repérer, car elles apparaissent comme des
points sur le fond sombre du ciel. Quand les satellites traversent le limbe de
Jupiter, on peut encore facilement les voir car le limbe de Jupiter est assez
sombre. Une fois que le passage est bien entamé, il est difficile et parfois
impossible de voir le satellite lui-même sur les zones brillantes de l'atmosphère
gazeuse de Jupiter. Si jamais le passage se produit devant une ceinture de nuages,
alors il est possible de suivre la lune pendant tout le passage.
En passant devant le disque de Jupiter, les lunes ont une ombre portée sur la surface
de Jupiter sous la forme d'un point distinct. Io et Europe sont à la fois plus
proches et plus petits que Ganymède et Callisto, et produisent donc des ombres
portées plus petites. Les ombres de Io et Europe bougent aussi très vite sur le
disque de Jupiter. L'ombre de Io traverse Jupiter en seulement deux heures et
Europa en seulement deux heures et demi. Les ombres sont clairement visibles sur
un fond de nuages de Jupiter, c'est à dire dans des zones où le contraste est
grand.
Passage d'Io et de son ombre sur le disque de Jupiter (credit: NASA)
L'angle du soleil par rapport à un observateur sur terre indique si le passage
d'une lune et de son ombre se produit de manière reliée. Quand la terre approche
l'opposition avec Jupiter, l'ombre de la lune jovienne entre sur le disque de
Jupiter avant la lune elle-même. A l'opposition même (terre, soleil et Jupiter
alignés), si un passage se produit, l'ombre suit ou précède la lune d'une minute.
Si vous voulez savoir quels genre de phénomènes vont se produire pour les lunes
de Jupiter pour un mois donné, il suffit de regarder dans un calendrier
astronomique ! Il est en fait possible qu'une lune éclipse sa propre ombre,
mais c'est rare. Un de ces évènements rares se produit le 28 novembre à 11:00 pm,
quand Io éclipse sa propre ombre !