Cette image représente l'un des mécanismes traditionnels proposés pour accélérer les particules à travers un choc, appelée accélération de dérive de choc. Les électrons (jaune) et les protons (bleu) peuvent être vus se déplacer dans la zone de collision où deux bulles de plasma chaudes entrent en collision (ligne verticale rouge). Les flèches cyan représentent le champ magnétique et les flèches vert clair, le champ électrique. Crédit :NASA Goddard's Scientific Visualization Studio/Tom Bridgman, visualiseur de données
Bien au-dessus de la surface, Le champ magnétique terrestre dévie constamment les particules supersoniques entrantes du soleil. Ces particules sont perturbées dans des régions juste à l'extérieur du champ magnétique terrestre - et certaines sont réfléchies dans une région turbulente appelée le pré-choc. De nouvelles observations de la mission THEMIS de la NASA montrent que cette région turbulente peut accélérer les électrons jusqu'à des vitesses approchant la vitesse de la lumière. De telles particules extrêmement rapides ont été observées dans l'espace proche de la Terre et dans de nombreux autres endroits de l'univers, mais les mécanismes qui les accélèrent n'ont pas encore été concrètement compris.
Les nouveaux résultats fournissent les premiers pas vers une réponse, tout en ouvrant plus de questions. La recherche révèle que les électrons peuvent être accélérés à des vitesses extrêmement élevées dans une région plus éloignée de la Terre qu'on ne le pensait auparavant, ce qui conduit à de nouvelles enquêtes sur les causes de l'accélération. Ces découvertes peuvent changer les théories acceptées sur la façon dont les électrons peuvent être accélérés non seulement lors de chocs près de la Terre, mais aussi dans tout l'univers. Une meilleure compréhension de la façon dont les particules sont énergisées aidera les scientifiques et les ingénieurs à mieux équiper les engins spatiaux et les astronautes pour faire face à ces particules, ce qui peut entraîner un dysfonctionnement de l'équipement et affecter les voyageurs spatiaux.
"Cela affecte à peu près tous les domaines qui traitent des particules de haute énergie, des études des rayons cosmiques aux éruptions solaires et aux éjections de masse coronale, susceptibles d'endommager les satellites et d'affecter les astronautes en expédition vers Mars, " a déclaré Lynn Wilson, auteur principal de l'article sur ces résultats au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland.
Les résultats, Publié dans Lettres d'examen physique le 14 novembre, 2016, décrire comment ces particules peuvent être accélérées dans des régions spécifiques juste au-delà du champ magnétique terrestre. Typiquement, une particule se dirigeant vers la Terre rencontre d'abord une région limite connue sous le nom de choc d'arc, qui forme une barrière protectrice entre le soleil et la Terre. Le champ magnétique dans le choc d'étrave ralentit les particules, provoquant la déviation de la plupart de la Terre, bien que certains soient réfléchis vers le soleil. Ces particules réfléchies forment une région d'électrons et d'ions appelée région de pré-choc.
Certaines de ces particules dans la région du pré-choc sont très énergétiques, électrons et ions en mouvement rapide. Historiquement, les scientifiques ont pensé qu'une façon dont ces particules atteignent des énergies aussi élevées est de rebondir d'avant en arrière sur le choc de l'arc, gagner un peu d'énergie supplémentaire à chaque collision. Cependant, les nouvelles observations suggèrent que les particules peuvent également gagner de l'énergie grâce à l'activité électromagnétique dans la région du pré-choc elle-même.
Les observations qui ont conduit à cette découverte ont été prises à partir de l'un des satellites de la mission THEMIS - abréviation de Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms -. Les cinq satellites THEMIS ont fait le tour de la Terre pour étudier comment la magnétosphère de la planète capte et libère l'énergie solaire éolienne, afin de comprendre ce qui déclenche les sous-orages géomagnétiques qui causent les aurores. Les orbites de THEMIS ont amené le vaisseau spatial à travers les régions limites du pré-choc. La mission principale THEMIS s'est terminée avec succès en 2010 et maintenant deux des satellites collectent des données en orbite autour de la lune.
Opérant entre le soleil et la Terre, le vaisseau spatial a trouvé des électrons accélérés à des énergies extrêmement élevées. Les observations accélérées ont duré moins d'une minute, mais étaient beaucoup plus élevés que l'énergie moyenne des particules dans la région, et beaucoup plus élevé que ce qui peut être expliqué par les seules collisions. Les observations simultanées des satellites Wind et STEREO n'ont montré aucun sursaut radio solaire ni aucun choc interplanétaire, les électrons de haute énergie ne provenaient donc pas de l'activité solaire.
"C'est un cas déroutant parce que nous voyons des électrons énergétiques là où nous ne pensons pas qu'ils devraient être, et aucun modèle ne leur convient, " a déclaré David Sibeck, co-auteur et scientifique du projet THEMIS à la NASA Goddard. "Il y a une lacune dans nos connaissances, il manque quelque chose de fondamental."
Les électrons ne pouvaient pas non plus provenir du choc de l'arc, comme on l'avait pensé auparavant. Si les électrons étaient accélérés dans le choc d'arc, ils auraient une direction et un emplacement de mouvement préférés - en ligne avec le champ magnétique et s'éloignant du choc de l'arc dans un petit, région spécifique. Cependant, les électrons observés se déplaçaient dans toutes les directions, pas seulement le long des lignes de champ magnétique. En outre, le choc d'arc ne peut produire des énergies qu'à environ un dixième des énergies des électrons observés. Au lieu, la cause de l'accélération des électrons s'est avérée être dans la région du pré-choc elle-même.
"Cela semble suggérer que des choses incroyablement à petite échelle font cela parce que les choses à grande échelle ne peuvent pas l'expliquer, ", a déclaré Wilson.
Des particules de haute énergie ont été observées dans la région du pré-choc depuis plus de 50 ans, mais jusqu'à maintenant, personne n'avait vu les électrons de haute énergie provenir de la région du pré-choc. Ceci est en partie dû à la courte échelle de temps sur laquelle les électrons sont accélérés, comme les observations précédentes avaient été en moyenne sur plusieurs minutes, qui peut avoir caché n'importe quel événement. THEMIS recueille les observations beaucoup plus rapidement, ce qui le rend particulièrement capable de voir les particules.
Prochain, les chercheurs ont l'intention de rassembler plus d'observations de THEMIS pour déterminer le mécanisme spécifique derrière l'accélération des électrons.
