Pour la première fois, les scientifiques ont estimé la quantité d'énergie transférée de grande à petite échelle dans la magnétogaine, la région frontière entre le vent solaire et la bulle magnétique qui protège notre planète. Sur la base des données collectées par le Cluster de l'ESA et les missions THEMIS de la NASA sur plusieurs années, l'étude a révélé que la turbulence est la clé, rendant ce processus cent fois plus efficace que dans le vent solaire.

Les planètes du système solaire, y compris notre Terre, sont baignés par le vent solaire, un flux supersonique de haute énergie, particules chargées inexorablement libérées par le Soleil. Notre planète et quelques autres se démarquent dans ce flot de particules omniprésent :ce sont les planètes qui ont leur propre champ magnétique, et représentent ainsi un obstacle à la puissance de balayage du vent solaire.

C'est l'interaction entre le champ magnétique terrestre et le vent solaire qui crée la structure complexe de la magnétosphère, une bulle protectrice qui protège notre planète de la grande majorité des particules du vent solaire.

Jusque là, les scientifiques ont acquis une assez bonne compréhension des processus physiques qui se déroulent dans le plasma du vent solaire et dans la magnétosphère. Cependant, de nombreux aspects importants manquent encore concernant l'interaction entre ces deux environnements et la région très turbulente qui les sépare, connu sous le nom de magnétogaine, où l'on soupçonne que la plupart des actions intéressantes se produisent.

"Pour savoir comment l'énergie est transférée du vent solaire à la magnétosphère, nous devons comprendre ce qui se passe dans la magnétogaine, la "zone grise" entre eux, " dit Lina Zafer Hadid, de l'Institut suédois de physique spatiale d'Uppsala, Suède.

Lina est l'auteur principal d'une nouvelle étude qui quantifie, pour la première fois, le rôle de la turbulence dans la magnétogaine. Les résultats sont publiés aujourd'hui dans Lettres d'examen physique .

"Dans le vent solaire, nous savons que la turbulence contribue à la dissipation d'énergie des grandes échelles de centaines de milliers de kilomètres aux plus petites échelles d'un kilomètre, où les particules de plasma sont chauffées et accélérées à des énergies plus élevées, " explique le co-auteur Fouad Sahraoui du Laboratoire de physique des plasmas en France.

"Nous soupçonnions qu'un mécanisme similaire devait également être en jeu dans la gaine magnéto, mais nous n'avons jamais pu le tester jusqu'à présent, " il ajoute.

Le plasma de la magnétogaine est plus turbulent, abrite une plus grande mesure des fluctuations de densité et peut être comprimé à un degré beaucoup plus élevé que le vent solaire. En tant que tel, c'est nettement plus complexe, et les scientifiques n'ont développé que ces dernières années le cadre théorique pour étudier les processus physiques qui se déroulent dans un tel environnement.

Lina, Fouad et leurs collaborateurs ont passé au peigne fin un vaste volume de données collectées entre 2007 et 2011 par les quatre engins spatiaux du Cluster de l'ESA et deux des cinq engins spatiaux des missions THEMIS de la NASA, qui volent en formation dans l'environnement magnétique de la Terre.

Lorsqu'ils ont appliqué les outils théoriques récemment développés à leur échantillon de données, ils allaient avoir une grosse surprise.

"Nous avons constaté que la densité et les fluctuations magnétiques causées par la turbulence au sein de la magnétogaine amplifient la vitesse à laquelle l'énergie cascade de grandes à petites échelles d'au moins cent fois par rapport à ce qui est observé dans le vent solaire, " explique Lina.

La nouvelle étude indique qu'environ 10-13 J d'énergie sont transférés par mètre cube chaque seconde dans cette région de l'environnement magnétique de la Terre.

"Nous nous attendions à ce que la turbulence compressible ait un impact sur le transfert d'énergie dans le plasma de la magnétogaine, mais pas que ce serait si important, " Elle ajoute.

En outre, les scientifiques ont pu dériver une corrélation empirique qui relie la vitesse à laquelle l'énergie est dissipée dans la magnétogaine avec la quatrième puissance d'une autre quantité utilisée pour étudier le mouvement des fluides, le nombre de Mach dit turbulent. Nommé d'après le physicien autrichien Ernst Mach, il quantifie la vitesse des fluctuations d'un écoulement par rapport à la vitesse du son dans ce fluide, indiquant si un flux est subsonique ou supersonique.

Alors que le taux de transfert d'énergie est difficile à déterminer à moins d'utiliser des sondes spatiales qui prennent des mesures in situ, comme le vaisseau spatial Cluster échantillonnant le plasma autour de la Terre, le nombre de Mach peut être plus facilement estimé en utilisant des observations à distance d'une variété de plasma astrophysique au-delà du royaume de notre planète.

« Si cette relation empirique s'avère universelle, il sera extrêmement utile pour explorer le plasma cosmique qui ne peut pas être directement sondé avec des engins spatiaux, comme le milieu interstellaire qui imprègne notre Voie lactée et d'autres galaxies, " dit Fouad.

Les scientifiques sont impatients de comparer leurs résultats avec les mesures du plasma entourant d'autres planètes du système solaire avec un champ magnétique intrinsèque, par exemple en utilisant la mission Juno de la NASA, actuellement à Jupiter, et le futur Jupiter Icy Moons Explorer de l'ESA, ainsi que la mission conjointe ESA-JAXA BepiColombo vers Mercure dont le lancement est prévu plus tard cette année.

« C'est très excitant qu'une étude basée sur plusieurs années de données de cluster ait trouvé la clé pour résoudre un problème majeur, longue question non résolue en physique des plasmas, " dit Philippe Escoubet, Chargée de mission Cluster à l'ESA.