17 Mars 2015

Résultats Scientifiques obtenus par l'ensemble des expériences MAPS

Groupe de travail MAPS

La magnétosphère de Saturne est un environnement complexe, multiphasique, dans lequel les composantes (surfaces solides, gaz neutre, plasma) sont étroitement couplées. Cette caractéristique rend nécessaire l'étude combinée des différents paramètres magnétosphériques mesurés individuellement par certains des instruments de Cassini. Le groupe d'étude interdisciplinaire MAPS (Magnetosphere and Plasma Science) de la mission Cassini-Huygens a ainsi été mis en place dans le but de dégager une vision d'ensemble, multi-instrumentale, des observations magnétosphériques et de maximiser ainsi le retour scientifique de la mission. La responsabilité principale du consortium MAPS est partagée entre Tamas Gombosi (Université du Michigan) et Michel Blanc (IRAP, Toulouse et Ecole Polytechnique, Palaiseau). Cette activité est soutenue par le CNES.

Les instruments participant à ce consortium sont les instruments de mesures des populations de plasma, de gaz neutres, et de poussières, du champ magnétique, et des ondes suivants :

  • CAssini Plasma Spectrometer (CAPS) mesure le plasma de basse énergie, ions et électrons à l'aide d'un spectromètre de masse (IMS, Ion Mass Spectrometer), d'un spectromètre de faisceau ionique (IBS, Ion Beam Spectrometer), d'un spectromètre à électrons (ELS, ELectron Spectrometer) et d'un actuateur motorisé balayant l'espace angulaire.
  • Magnetospheric IMaging Instrument (MIMI) mesure le plasma de haute énergie. L'instrument comporte 3 détecteurs : le senseur mesurant les distributions des particules chargées (LEMMS, Low Energy Magnetospheric Measurement System), le senseur pour la détermination de la composition ionique (CHEMS, charge-energy-mass-spectrometer) et la caméra en imagerie des neutres énergétiques (INCA, Ion and Neutral CAmera).
  • MAGnetometer (MAG) étudie le champ magnétique de Saturne et l'interaction entre la magnétosphère et le vent solaire.
  • Radio and Plasma Wave Science (RPWS) mesure les ondes dans le plasma, et émissions radio : champs électriques (de 1 Hz à 16 MHz) et magnétiques (de 1 Hz à 12.6 kHz).
  • Ion and Neutral Mass Spectrometer (INMS) mesure les particles chargées et neutres à proximité de Saturne, Titan et des satellites afin d'en étudier l'atmosphère et l'ionosphère.
  • Cosmic Dust Analyzer (CDA) mesure les grains de glace et de poussière dans l'environnement de Saturne et analyse leur composition.
  • UltraViolet Imaging Spectrograph (UVIS) mesure les émissions dans l'ultraviolet des populations de gaz neutre présentes dans l'environnement de Saturne, ce qui permet de déterminer et caractériser les sources de plasma dans la magnétosphère.
  • Radio Science Subsystem (RSS) mesure la densité ionosphérique de Saturne.


Outil MAPSKP et base de données résumées

La dynamique du groupe multi-instrumental MAPS a donné naissance à un outil de visualisation simultanée des données des instruments MAPS : l'outil MAPSKP (MAPS Key Parameters) développé à l'IRAP par Etienne Pallier en collaboration avec l'université de Michigan et le CNES. Le site http://mapskp.cesr.fr fournit un accès aux données plasma résumées de type "paramètres clés", à basse résolution (1 min), permettant ainsi d'avoir un aperçu rapide sur les événements à étudier dans un cadre multi-instrumental. Il est à usage restreint et propose trois fonctionnalités aux chercheurs du groupe de travail MAPS :

  1. Une fonction de visualisation de jeux de données prédéfinis, qui permet de visualiser un jeu de données suivant son type (trajectoire, champ magnétique, paramètres plasma électroniques, ioniques, ...);
  2. Une fonction de tracé interactif des divers jeux de données existants, qui permet de choisir et de combiner un ensemble de données que l'on désire afficher pour une période de temps donnée afin de créer des visualisations multi-instrumentales. Les échelles de temps et d'intensité sont modulables afin de cibler les fenêtres d'observations autour des événements d'intérêt ;
  3. Une fonction de téléchargement des données résumées.

L'outil MAPSKP, à travers le partage et la mise en accès rapide d'un grand nombre de données permet ainsi de dynamiser la collaboration entre les équipes scientifiques et le retour scientifique de la mission.

Figure obtenue à l'aide de l'outil MAPSKP
Vue multi-instrumentale des données résumées (de haut en bas) champ magnétique de MAG, particules énergétiques (électrons) de MIMI LEMMS et de CAPS ELS, particules énergétiques (ions) de MIMI LEMMS et CAPS IMS, et des données radio et ondes de RPWS, en fonction du temps. Figure obtenue à l'aide de l'outil MAPSKP.


Cartographie d'ensemble de la structure de la magnétosphère de Saturne

La magnétosphère de Saturne est actuellement étudiée en détail - du microscopique ou macroscopique, et vice versa - par la mission Cassini-Huygens.

Début 2004, durant la phase d'approche de la planète par la sonde, les observations distantes de la magnétosphère de Saturne ont permis d'observer et d'étudier ses émissions aurorales, radio, ultraviolettes ainsi que les poussières qui s'échappent de l'environnement et qui se retrouvent dans le milieu interplanétaire.

Puis, au 1er juillet 2004, l'insertion en orbite autour de Saturne a permis de réaliser la première cartographie d'ensemble de l'environnement depuis les sondes Voyager au début des années 1980. L'orbite d'insertion de Cassini autour de Saturne est l'orbite qui a été la plus détaillée par chacun des instruments du groupe de travail MAPS, individuellement. L'ensemble des observations de ces instruments au cours de cette orbite a été combiné afin de décrire de manière unifiée la structure à grande échelle de la magnétosphère de Saturne, au travers de l'identification des régions qui la caractérisent, ainsi que de leurs frontières.

Identification des régions magnétosphériques traversées par Cassini
Identification des régions magnétosphériques traversées par Cassini lors de son insertion en orbite autour de Saturne les 30 juin et 1er juillet 2004, travail qui a récemment fait la couverture du volume 46 de Reviews of Geophysics. De haut en bas : spectrogramme temps - énergie MIMI LEMMS (électrons et ions), composantes et intensité du champ magnétique MAG, spectrogramme temps - énergie CAPS (électrons et ions), spectrogramme temps - fréquence RPWS, en fonction du temps et de la distance à la planète. © André et al. (2008).

Les régions plasma identifiées au cours de cette orbite consistent en l'ionosphère des anneaux de Saturne (région 1, à l'intérieur de 3 rayons planétaires), un tore de plasma froid (région2, jusqu'à 5-6 rayons planétaires) dans la magnétosphère interne, qui se prolonge en un feuillet de plasma étendu (région 3) et une magnétosphère externe explorée à haute-latitude (région 4, au-delà de 12-14 rayons planétaires). Chacune de ces régions avaient été identifiées au cours des missions précédentes, mais de manière bien moins détaillée.

Les processus physico-chimique et dynamique opérant dans chacune de ces régions ont également été mis en évidence. La magnétosphère interne est caractérisée par la présence d'un fort champ magnétique et contient les sources les plus importantes de plasma et de gaz neutre dans l'environnement planétaire, donnant naissance à une magnétosphère dominée par des dérivés de la molécule d'eau. Le feuillet de plasma étendu, où de forts courants électriques sont observés, est une région dynamique avec des lignes de champ magnétique très étirées du fait de la présence de plasma. Il contient un mélange de populations de plasma froid et chaud, ce mélange résultant du transport radial du plasma de la magnétosphère interne vers l'extérieur. Enfin, la magnétosphère externe à haute latitude est caractérisée par l'absence de plasma, ce dernier étant concentré par la force centrifuge dans les régions équatoriales de la magnétosphère.