Les émissions radio aurorales de Jupiter : observations à distance, in-situ, et simulations.

par Corentin Louis

Thèse de doctorat en Astronomie et Astrophysique

Sous la direction de Philippe Zarka.

Soutenue le 14-09-2018

à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine) , en partenariat avec Laboratoire d'Etudes Spatiales et d'Instrumentation en Astrophysique (Paris) (laboratoire) , Observatoire de Paris (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation en astrophysique (laboratoire) .


  • Résumé

    La thèse a porté sur l’étude des émissions radio aurorales de Jupiter, produites proche de la fréquence cyclotron électronique locale par Instabilité Maser Cyclotron, alimentée par des électrons résonants d’énergies de quelques keV, accélérés le long des lignes de champ magnétique de haute latitude.J’ai tout d’abord repris, validé et étendu le code de simulation SERPE (Simulateur d’Émissions Radio Planétaire et Exo–planétaire) développé au LESIA, qui permet de produire des spectres dynamiques des émissions radio visibles pour un observateur donné. J’ai effectué une étude paramétrique des simulations des émissions radio induites par Io afin de quantifier le rôle des principaux paramètres libres du code (fonction de distribution et énergie des électrons, modèle de champ magnétique, position de la ligne de champ magnétique active et altitude de la coupure ionosphérique). Cette étude a confirmé que les émissions Io sont correctement reproduites seulement lorsque le rayonnement est oblique par rapport aux lignes de champ magnétique, ce qui est simulé par SERPE grâce à des fonctions de distribution électronique de type cône de perte. J’ai également montré que (a) les paramètres qui contrôlent principalement la forme des émissions simulées dans le plan temps-fréquence sont le modèle de champ magnétique et l’énergie des électrons, et que (b) les simulations sont en excellent accord avec les observations, moyennant une fenêtre d’incertitude temporelle de ±2 heures.À l’aide de ce code, j’ai réalisé des simulations au long cours des émissions radio induites par Io, et de celles attendues pour Europe, Ganymède et Callisto. En comparant ces simulations à plusieurs années d’observations de Jupiter enregistrées avec les instruments Voyager/PRA et Cassini/RPWS (ponctuellement complétées par celles du réseau décamétrique de Nançay), j’ai prouvé l’existence d’émissions radio induites par Europe et Ganymède. L’étude statistique de ces émissions m’a permis d’établir leur propriétés moyennes (extension en fréquence, variabilité temporelle, et occurrence). Ce résultat ouvre un nouveau champ d’étude à distance, et au long cours, des interactions planète–satellites autres que Io–Jupiter.La comparaison de ces simulations avec les observations Juno/Waves m’a permis d’identifier sans ambiguïté les émissions radio induites par Io, ainsi que leur hémisphère d’origine (sans connaitre leur polarisation, non–mesurée par Juno/Waves), pour un observateur proche de l’équateur (cas de la Terre), comme a des latitudes plus hautes. Grâce à ces simulations, j’ai également montré que les émissions sont visibles seulement si l’ouverture de l’angle d’émission est supérieure à 70°±5°.Enfin, j’ai entamé une étude statistique de la distribution spatiale des sources radio aurorales traversées par la sonde Juno. J’ai ainsi cartographié les sources des diverses composantes (kilométriques à décamétriques) des émissions radio joviennes. La comparaison avec des modèles de champ magnétique récents, ainsi qu’avec des images UV (Juno/UVS et Hubble/STIS) m’a permis de démontrer une corrélation des émissions radio avec l’ovale auroral principal.

  • Titre traduit

    Jupiter's auroral radio emissions : remote and in-situ observations, and simulations.


  • Résumé

    The thesis focused on the study of Jupiter's auroral radio emissions, produced close to the local electronic cyclotron frequency by Maser Cyclotron instability, powered by resonant electrons of energies of a few keV, accelerated along high magnetic field lines at high latitude.I first took over, validated and extended the simulation code ExPRES (Exoplanetary and Planetary Radio Emissions Simulator) developed at LESIA, which allows to produce dynamic spectra of visible radio emissions for a given observer. I performed a parametric study of simulations of radio emissions induced by Io in order to quantify the role of the main free parameters of the code (distribution function and energy of the electrons, magnetic field model, position of the active magnetic field line and altitude of the ionospheric cutoff). This study confirmed that Io emissions are correctly reproduced only when the radiation is oblique to the magnetic field lines, which is simulated by ExPRES through loss cone electronic distribution functions. I have also shown that (a) the parameters that mainly control the shape of the simulated emissions in the time-frequency plane are the magnetic field model and the electron energy, and that (b) the simulations are in excellent agreement with observations, with a time window of uncertainty of ± 2 hours.Using this code, I produced long-term simulations of radio emissions induced by Io, and those expected for Europa, Ganymede and Callisto. Comparing these simulations with several years of Jupiter observations recorded with the Voyager / PRA and Cassini / RPWS instruments (punctually supplemented by those of the Nançay decametric array), I proved the existence of radio emissions induced by Europa and Ganymede. The statistical study of these emissions allowed me to establish their average properties (extension in frequency, temporal variability, and occurrence). This result opens a new field of study, remotely and in the long-term, of the planet-satellite interactions other than Io-Jupiter.The comparison of these simulations with the Juno / Waves observations allowed me to unambiguously identify the radio emissions induced by Io, as well as their hemisphere of origin (without knowing their polarization, not measured by Juno / Waves), for an observer close to the equator (case of the Earth), as at higher latitudes. Thanks to these simulations, I have also shown that the emissions are visible only if the opening of the emission angle is greater than 70 ° ± 5 °.Finally, I began a statistical study of the spatial distribution of auroral radio sources traversed by the Juno probe. I thus mapped the sources of the various components (kilometer to HF) of Jovian radio broadcasts. Comparison with recent magnetic field models, as well as UV imagery (Juno / UVS and Hubble / STIS) allowed me to demonstrate a correlation of radio emissions with the main auroral oval.


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