Étude de l'atmosphère de Jupiter avec les premières données du JWST

Study of Jupiter's atmosphere with the first data from JWST

• Auteur / Autrice : Pablo Rodríguez Ovalle
• Direction : Thierry Fouchet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et astrophysique d'Ile de France
• Date : Soutenance le 04/12/2024
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation en astrophysique (Meudon, Hauts-de-Seine ; 2002-2024)
• Jury : Président / Présidente : Cécile Ferrari
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Véronique Vuitton, Giles Rohini
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mathieu Barthelemy, Denis Grodent

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie infrarouge

Transfert radiatif

Planètes externes

Ionosphère polaire

Stratosphère

Jupiter (planète) -- Atmosphère

Mots clés libres

Sciences planétaires

Spectroscopie infrarouge

Stratosphère

Régions polaires

Régions aurorales

Précipitations de particules

Transfert radiatif

Atmosphères

Planètes géantes

Planetary sciences

Infrared spectroscopy

Stratosphere

Polar regions

Auroral regions

Particle precipitation

Radiative transfer

Atmospheres

Giant planets

Résumé

Les régions polaires de Jupiter sont particulières par rapport au reste de la planète. Cela est dû en grande partie à la présence de précipitations de particules chargées dans les régions aurorales. Ces précipitations déclenchent une série de changements dans la haute atmosphère. Ceux-ci comprennent le réchauffement de la stratosphère et de la thermosphère dans la région aurorale, et l'augmentation de l'abondance de certains hydrocarbures dans la stratosphère, résultat d'une chimie liée à la neutralité ionique, ajoutant de nouvelles voies pour la production de ces molécules. Certaines de ces molécules peuvent étendre leur impact au-delà de la région aurorale, puisqu'elles peuvent être liées à la formation de brouillards, qui peuvent s'étendre jusqu'à 55N dans la région polaire nord. Dans ce travail, nous avons utilisé les premières observations de Jupiter réalisées par le JWST dans le cadre du programme Early Release Science (ERS) 1373, pour analyser la stratosphère de la région polaire sud de la planète. Plus précisément, nous avons utilisé l'instrument MIRI/MRS, un spectrographe fonctionnant dans l'infrarouge moyen. Cette étude a comporté une partie importante liée au traitement des observations du JWST. Les observations analysées étant parmi les premières à voir le jour, ce travail constitue l'un des premiers en termes de traitement des données du JWST dans la science du système solaire. Compte tenu de la grande sensibilité du JWST et de la forte radiance infrarouge de Jupiter, certaines données présentaient des défauts de saturation et des décalages de longueur d'onde qui variaient sur l'image du détecteur. Nous avons développé des techniques de désaturation et de correction spectrale pour obtenir des produits scientifiques de meilleure qualité. Ces outils ont été appliqués non seulement à l'instrument MIRI/MRS, mais aussi à d'autres instruments tels que NIRCam ou NIRSpec, et ont été l'un des grands succès du programme ERS 1373. Ces observations nous ont permis d'analyser la structure thermique tridimensionnelle de la stratosphère jovienne (10 - 0,01 mbar) et l'abondance des différentes molécules qui peuplent cette stratosphère (C2H2, C2H6, C6H6 ...). De plus, nous avons pu trouver pour la première fois les signatures spectrales des aérosols polaires dans l'infrarouge moyen, tout comme Cassini/CIRS les a trouvées pour Saturne et Titan. Grâce à l'incroyable sensibilité du JWST, nous avons pu quantifier leur épaisseur optique et leur impact sur la structure thermique de la planète. En outre, nous avons pu analyser les restes d'espèces exogènes, provoqués par l'impact Shoemaker-Levy 9 en 1994. Nous avons analysé HCN, ainsi que CO2 et H2O. C'est la première fois que nous avons pu observer une distribution latitudinale de H2O sur Jupiter, et c'est la première fois depuis 2000 que nous avons pu observer à nouveau la distribution latitudinale de CO2. L'étude simultanée de ces deux espèces a permis d'établir des relations possibles entre elles, probablement en raison du cadre chimique exotique qui se produit dans les régions polaires, du fait de la présence des aurores.

The polar regions of Jupiter are peculiar compared to the rest of the planet. This is largely due to the presence of charged particle precipitation in the auroral regions. This precipitation triggers a series of changes in the upper atmosphere. These include the warming of the stratosphere and thermosphere in the auroral region, and the increase in the abundance of some hydrocarbons in the stratosphere, the result of ion-neutral related chemistry, adding new pathways for the production of these molecules. Some of these molecules may extend their impact beyond the auroral region, since they may be related to the formation of fogs, which may extend up to 55N in the northern polar region. In this work, we have used the first JWST observations of Jupiter from the Early Release Science (ERS) 1373 program, to analyze the stratosphere of the south polar region of the planet. Specifically, we have used the MIRI/MRS instrument, a spectrograph operating in the mid-infrared. This study has involved an important part related to the processing of JWST observations. Since the observations analyzed were among the first to see the light of day, this work constitutes one of the first in terms of the processing of JWST data in solar system science. Given the high sensitivity of JWST and the high infrared radiance of Jupiter, some of the data showed saturation defects and wavelength shifts that varied across the detector image. We have developed desaturation and spectral correction techniques to obtain higher quality scientific products to work with. These tools have not only been applied to the MIRI/MRS instrument, but to others such as NIRCam or NIRSpec, and have been one of the great successes of the ERS 1373 program. From these observation we could analyze the three-dimensional thermal structure of the Jovian stratosphere (10 - 0.01 mbar) and the abundance of various molecules that inhabit this stratosphere (C2H2, C2H6, C6H6 ...). In addition, we have been able to find for the first time the spectral signatures of polar aerosols in the mid-infrared, just as Cassini/CIRS found them for Saturn and Titan. Thanks to the incredible sensitivity of JWST, we have been able to quantify its optical thickness and impact on the thermal structure of the planet. In addition, we have been able to analyze the remains of exogenous species, driven by the Shoemaker-Levy 9 impact back in 1994. We have analyzed HCN, as well as CO2 and H2O. It was the first time that we were able to see a latitudinal distribution of H2O on Jupiter, and it was the first time since 2000 that we were able to see the latitudinal distribution of CO2 again. The simultaneous study of these two species has allowed us to establish possible relationships between them, probably due to the exotic chemical framework that occurs in the polar regions, due to the presence of the auroras.