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Radio bursts : from Jupiter to the stars

3 octobre 2023

The combined results of two recent papers illustrate how studies of radio emissions from Jupiter can be transposed to star systems. Mauduit et al. [1] have developed a new method for detecting radio bursts of Jupiter drifting in the time-frequency plane. Applied to high-resolution data from the Nançay Decameter Array, it was possible to discover bursts linked to the Jovian auroras and others induced by the interaction of Ganymede with Jupiter. These bursts led to study the acceleration of electrons near Jupiter. In parallel, Zhang et al. [2] discovered, using the FAST radio telescope, similar bursts emitted by the active star AD Leo, which can be interpreted by analogy with the results obtained on Jupiter.

Detecting radio bursts drifting in the time-frequency plane is a powerful way to remotely study electron acceleration processes in astrophysical plasmas. It has been known for 50 years that such bursts are produced by the interaction between Jupiter and its satellite Io. A new detection algorithm has also made it possible to discover, via the analysis of massive time-frequency data recorded by the Nançay Decameter Array, similar bursts from the Ganymede-Jupiter interaction and the Jovian polar auroras [1]. The acceleration of electrons involves magnetic oscillations called “Alfvén waves”. This potentially universal mechanism is powered by the motion of Io, Ganymede, or magnetospheric plasma through the rapidly rotating magnetic field of Jupiter. In parallel, very sensitive observations with the giant Chinese radio telescope FAST have led to the discovery of radio bursts from the active star AD Leonis [2]. If the frequencies, intervals between bursts, intensities, direction and speed of drift in the time-frequency plane are different, the morphology, the discrete, drifting, quasi-periodic character (and even the polarization, strongly circular) of the stellar bursts are remarkably similar to those of Jupiter. The experience acquired on Jupiter suggests in the case of AD Leo the same mechanism of radio emission, fed by electrons of modest energy (≤ 20 keV), accelerated by Alfvén waves resulting from the interaction of the star with its massive plasma wind or with a planetary companion.

La figure illustre et compare les sursauts radio de Jupiter (b) enregistrés entre 11 et 13.5 MHz par (a) le Réseau Décamétrique de Nançay (NDA) avec son récepteur haute résolution Juno-N, et les sursauts radio d’AD Leonis (e) observés entre 1290 et 1470 MHz par le radiotélescope géant chinois FAST (d). Les deux types de sursauts révèlent une forte polarisation circulaire, suggérant un même mécanisme d’émission lié au mouvement cyclotron (hélicoïdal) d’électrons dans le champ magnétique de l’objet. La différence de fréquences s’explique par l’amplitude du champ magnétique d’AD Leo 100 fois supérieure à celle de Jupiter, qui explique aussi les dérives temps-fréquence beaucoup plus rapides pour AD Leo ( 500 à 900 MHz/s) que pour Jupiter (-10 à -20 MHz/s), même si les électrons à l’origine des émissions ont des énergies similaires (quelques keV). Les dérives positives observées pour AD Leo impliquent que ces électrons se déplacent vers l’étoile. Les dérives négatives observées pour Jupiter indiquent des électrons réfléchis magnétiquement et « remontant » les lignes de champ magnétique de Jupiter (flèches jaunes sur les panneaux (c) & (f)). Les flux radio détectés pour Jupiter (millions de Jansky) sont très supérieurs à ceux détectés pour AD Leo (<0.1 Jansky), du fait de l’énorme différence de distance entre ces objets et la Terre ( 5 Unités Astronomiques pour Jupiter, 5 parsecs pour AD Leo, avec 1 parsec = 200000 UA), sachant que le flux décroît comme l’inverse du carré de la distance. Mais le flux intrinsèque des sursauts d’AD Leo est en fait 100 à 1000 fois plus élevé que celui des sursauts de Jupiter. Le caractère discret et quasi-périodique des sursauts suggère une accélération des électrons par des ondes d’Alfvén (oscillations magnétiques). Ces deux articles sont un premier exemple de la manière dont les mécanismes et scenarii physiques élaborés pour un objet du système solaire peuvent être extrapolés et transposés à des sources astrophysiques plus lointaines et inaccessibles. Sources et copyrights (a) Réseau Décamétrique de Nançay (NDA, © ORN). (b) Observation NDA/Juno-N fournie par L. Lamy. (c) Schéma adapté de la Fig. 3 de Szalay et al., Geophys. Res. Lett. 49, e2022GL098111, 2022, https://doi.org/10.1029/2022GL098111. (d) https://apod.nasa.gov/apod/image/1609/DaiFAST_1500.jpg. (e) Figure adaptée de la Fig. 1 de [2]. (f) Vue d’artiste d’une étoile naine (© ASTRON/Danielle Futselaar).
References :

[1] Emilie Mauduit, Philippe Zarka, Laurent Lamy, & Sébastien Hess, Drifting discrete Jovian radio bursts reveal acceleration processes related to Ganymede and the main aurora, Nature Communications, 14, 5981 (2023)

[2] Jiale Zhang, Hui Tian, Philippe Zarka, Corentin Louis, Hongpeng Lu, Dongyang Gao, Xiaohui Sun, Sijie Yu, Bin Chen, Xin Cheng, & Ke Wang, Fine structures of radio bursts from flare star AD Leo with FAST observations, The Astrophysical Journal, 2023, 953, 65