Lors de ses deux premiers survols du soleil, l'instrument dirigé par Princeton IS?IS à bord de la sonde solaire Parker a détecté une variété surprenante d'activités par les particules énergétiques solaires - les électrons zippy, protons et autres ions qui volent avant le vent solaire - qui peuvent perturber les voyages spatiaux et les communications sur Terre. Les observations ne sont que le début des explorations de la formation de ces événements de particules, des découvertes qui éclaireront des questions plus larges sur le soleil, la météo spatiale et les rayons cosmiques. L'une des plus grandes menaces du soleil - pour les astronautes et les satellites qui fournissent des cartes GPS, le service de téléphonie cellulaire et l'accès à Internet - sont des particules à haute énergie qui jaillissent du soleil en rafales. En haut :le 17 novembre, 2018, le 321e jour de cette année-là, L'IS?IS de Parker Solar Probe a observé une rafale de protons de haute énergie, chacun avec plus d'un million d'électrons-volts d'énergie. Les couleurs plus chaudes (jaune, Orange, rouge) représentent une augmentation du nombre de ces particules à haute énergie frappant les capteurs IS-IS. En bas :Représentation d'un artiste de l'un de ces événements de particules énergétiques. Crédit :Jamey Szalay et David McComas; Adapté avec la permission de D.J. McComas et al., La nature 575:7785 (2019)
Les explosions de particules énergétiques qui jaillissent du soleil et peuvent perturber les communications spatiales peuvent être encore plus variées et nombreuses qu'on ne le pensait auparavant, selon les résultats du survol le plus proche du soleil.
Les nouvelles découvertes, qui nous aident à comprendre l'activité du soleil et pourraient finalement fournir un avertissement précoce pour les tempêtes solaires, proviennent de l'une des quatre suites d'instruments à bord de la sonde solaire Parker de la NASA, un vaisseau spatial qui a effectué ses premiers passages près de l'orbe de feu. Les résultats des quatre suites apparaissent aujourd'hui dans une série d'articles publiés dans la revue La nature .
La découverte que ces événements de particules énergétiques sont plus variés et plus nombreux qu'on ne le pensait auparavant était l'une des nombreuses découvertes faites par la suite d'instruments connue sous le nom d'Integrated Science Investigation of the Sun (ISOIS), un projet dirigé par l'Université de Princeton qui implique plusieurs institutions ainsi que la NASA.
"Cette étude marque une étape majeure dans la reconnaissance par l'humanité de l'environnement proche du soleil, " a déclaré David McComas, le chercheur principal de la suite d'instruments ISOIS, professeur de Princeton en sciences astrophysiques et vice-président du Princeton Plasma Physics Laboratory. "Il fournit les premières observations directes de l'environnement des particules énergétiques dans la région juste au-dessus de la haute atmosphère du soleil, la couronne.
"Voir ces observations a été un "moment eurêka" continu, '", a déclaré McComas. "Chaque fois que nous recevons de nouvelles données du vaisseau spatial, nous assistons à quelque chose que personne n'a jamais vu auparavant. C'est à peu près aussi bon que possible!"
ISOIS cherche à découvrir comment les particules se déplacent si rapidement, et ce qui les pousse à accélérer. Les scientifiques à la recherche de ces réponses comprennent les membres de l'équipe ISOIS du California Institute of Technology (Caltech), Laboratoire de physique appliquée de l'Université John Hopkins (APL), Centre de vol spatial Goddard de la NASA, Laboratoire de propulsion à réaction de la NASA, l'Université du New Hampshire, Institut de recherche du Sud-Ouest, l'Université du Delaware et l'Université de l'Arizona, ainsi que des collaborateurs de l'Université de Californie-Berkeley, Collège impérial de Londres, l'Université du Michigan, Smithsonian Astrophysical Observatory et le Centre national de la recherche scientifique en France.
Les particules hautement énergétiques peuvent perturber les communications et les satellites des systèmes de positionnement global (GPS). Ces flux de particules, constitué principalement de protons, avoir deux sources. Le premier vient de l'extérieur de notre système solaire, générés lors de l'explosion d'étoiles libèrent des flux de particules connus sous le nom de rayons cosmiques. L'autre est notre soleil. Les deux peuvent endommager les systèmes électriques des engins spatiaux et sont des formes de rayonnement qui peuvent nuire à la santé des astronautes.
Ces particules énergétiques volent beaucoup plus vite que le vent solaire, qui est le flux d'environ un million de miles par heure de gaz chaud chargé électriquement qui fouette le soleil. Si le vent solaire était un ruisseau, les particules énergétiques seraient des poissons qui bondissent et sautent en avant du courant. Les particules se déplacent le long de voies, appelées tubes de flux magnétique, qui s'étendent de la couronne jusqu'au vent solaire.
Pendant les deux premières orbites de Parker Solar Probe, IS?IS a détecté de nombreux petits événements de particules énergétiques, des sursauts solaires au cours desquels les taux de particules sortant du soleil ont augmenté rapidement. Sur ISOIS, l'instrument Epi-Lo mesure des particules dans les dizaines de milliers d'électrons-volts, tandis qu'Epi-Hi mesure des particules avec des millions à des centaines de millions d'électrons-volts. (Pour référence, l'électricité dans votre maison est de 120 volts.) Ici, les données des orbites 1 (à gauche) et 2 (à droite) montrent les taux de comptage de particules IS-IS superposés sous forme de bandes de couleur le long de la ligne noire qui représente la trajectoire de Parker Solar Probe. Les taux d'énergie inférieurs ("Lo") sont à l'intérieur de la piste, tandis que les taux d'énergie plus élevés ("Hi") fonctionnent à l'extérieur. La taille et la couleur correspondent aux taux mesurés, de telle sorte que les grandes barres rouges indiquent les plus grosses rafales, lorsque le soleil a libéré le plus de particules en peu de temps. Crédit :Jamey Szalay et David McComas; Adapté avec la permission de D.J. McComas et al., La nature 575:7785 (2019)
Comprendre ces particules pourrait améliorer les prévisions météorologiques spatiales et donner un avertissement précoce des tempêtes massives qui peuvent perturber les communications terrestres et les voyages spatiaux.
"La réponse aux questions sur la façon dont les particules énergétiques se forment et accélèrent est extrêmement importante, " a déclaré Ralph McNutt, qui a supervisé la construction de l'énergie inférieure des deux instruments de la suite et est scientifique en chef dans le secteur de l'exploration spatiale à l'APL. "Ces particules affectent nos activités sur Terre et notre capacité à envoyer nos astronautes dans l'espace. Nous écrivons l'histoire avec cette mission."
En raison de leur vitesse, les particules agissent comme un signal d'alerte précoce pour la météo spatiale, dit Jamey Szalay, chercheur associé au Département des sciences astrophysiques de Princeton qui dirige les efforts de visualisation des données pour ISOIS. "Ces particules se déplacent rapidement, donc s'il y a une grosse tempête solaire sur son chemin, ces particules sont les premiers indicateurs."
La plupart des études précédentes sur les particules énergétiques solaires reposaient sur des détecteurs situés dans l'espace à peu près à la même distance du Soleil que la Terre, à 93 millions de kilomètres du soleil. Au moment où les particules atteignent ces détecteurs, il est difficile de savoir d'où ils viennent, parce que les particules de diverses sources ont interagi et se sont mélangées.
"C'est un peu comme des voitures venant de tunnels et de ponts bondés et s'étendant sur les autoroutes interétatiques, " a déclaré McComas. " Ils deviennent plus rapides à mesure qu'ils s'éloignent, mais ils se mélangent également et interagissent d'une manière qu'il est impossible de dire qui vient d'où à mesure que vous vous éloignez de plus en plus des sources."
Dans ses premiers voyages autour du soleil, la sonde solaire Parker a voyagé deux fois plus près du soleil que n'importe quel vaisseau spatial précédent. Au plus près, le vaisseau spatial était de 14 millions de miles - ou 35 rayons solaires, qui est de 17,5 largeurs du soleil-de la surface ardente.
Se rapprocher du soleil est essentiel pour comprendre comment ces particules se forment et acquièrent de hautes énergies, dit Eric Christian, chercheur principal adjoint sur ISOIS et chercheur principal à la NASA Goddard. "C'est comme essayer de mesurer ce qui se passe dans une montagne en étudiant la base de la montagne. Pour savoir ce qui se passe, vous devez aller là où est l'action :vous devez monter sur la montagne."
Une préoccupation potentielle des chercheurs était que le cycle d'activité du soleil de 11 ans est actuellement à son plus bas. Mais le faible niveau d'activité s'est avéré être un avantage.
Le panneau supérieur montre un schéma d'une éjection de masse coronale (CME), au cours de laquelle un éclat de masse aussi gros que le lac Michigan est éjecté du soleil. Ceux-ci peuvent présenter un danger pour les astronautes et les satellites spatiaux, mais les scientifiques d'ISOIS ont découvert que de minuscules particules énergétiques se précipitent devant la masse éjectée, avertir à l'avance de la menace entrante. Le panneau du bas montre les flux de protons détectés par l'EPI-Lo d'IS?IS (en haut) et les mesures du champ magnétique (en bas) au moment d'un CME observé. Les particules énergétiques ont atteint Parker Solar Probe près d'un jour avant la masse éjectée. Crédit :Jamey Szalay et David McComas; Adapté avec la permission de N.J. Fox et al, Space Science Reviews 204 :7 (2016) et D.J. McComas et al., Nature 575:7785 (2019)
"Le fait que le soleil soit calme nous a permis d'analyser des événements extrêmement isolés, " dit Nathan Schwadron, professeur de physique et d'astronomie et directeur du centre d'opérations scientifiques ISOIS à l'Université du New Hampshire. "Ce sont des événements qui n'ont pas été vus de plus loin car ils sont juste anéantis par l'activité du vent solaire."
Au cours de ses deux premières orbites, ISOIS a observé plusieurs phénomènes fascinants. L'un était une explosion d'activité de particules énergétiques qui coïncidait avec une éjection de masse coronale, une violente éruption de particules énergisées et magnétisées de la couronne. Avant l'éjection, ISOIS a détecté une accumulation de particules relativement peu énergétiques, alors qu'après l'éjection, il y avait une accumulation de particules à haute énergie. Ces événements étaient petits et non détectables depuis l'orbite terrestre.
Une autre observation d'ISOIS était l'activité des particules indiquant une sorte d'embouteillage du vent solaire, ce qui se produit lorsque le vent solaire ralentit soudainement, provoquant l'accumulation de vents solaires rapides derrière lui et formant une région comprimée de particules. Cette accumulation, que les astrophysiciens appellent une région d'interaction co-rotative, occurred out beyond Earth's orbit and sent high energy particles back toward the sun where they were observed by ISOIS.
Researchers are eager to understand the mechanisms by which the sun accelerates particles to high speeds. ISOIS's detection of each particle's identity—whether it is hydrogen, hélium, carbone, oxygène, iron or another element—will help researchers further explore this question.
"There are two kinds of acceleration mechanisms, one that occurs in solar flares when magnetic fields reconnect, and another that occurs when you get shocks and compressions of the solar wind, but the details of how they cause particle acceleration are not that well understood, " said Mark Wiedenbeck, a principal scientist at NASA's Jet Propulsion Laboratory, who oversaw the development of the higher energy instrument in the ISOIS suite. "The composition of the particles is a key diagnostic to tell us the acceleration mechanism."
ISOIS made its third brush by the sun on Sept. 1, and will make its next on Jan. 29, 2020. As the mission continues, the satellite will make a total of 24 orbits, each time getting closer to the solar surface, until it is roughly five sun-widths from the star. The researchers hope that future flybys will reveal insights into the source of the energetic particles. Do they start as "seed particles" that go on to attain higher energies?
Jamie Sue Rankin, a postdoctoral researcher at Princeton working in the McComas group, began working on the higher energy ISOIS instrument as a graduate student at Caltech.
"It has been neat to see this whole process develop over the past decade, " Rankin said. "It is like surfing a wave:We built these instruments, made sure they were working, made adjustments to make sure the calibrations were right—and now comes the exciting part, answering the questions that we set out to address.
"With any spacecraft, when you go out into space, you think you know what to expect, but there are always wonderful surprises that complicate our lives in the best way, " she said. "That is what keeps us doing what we do."
