"Caractéristiques tridimensionnelles de l'héliosphère externe en raison du couplage entre le champ magnétique interstellaire et héliosphérique. V. L'onde d'arc, Couche limite héliosphérique, Instabilités, et Magnetic Reconnection" est apparu à l'origine en août dernier dans le Journal d'astrophysique , une publication de l'American Astronomical Society. Mais le papier, dont les co-auteurs incluent deux chercheurs de l'Université de l'Alabama à Huntsville (UAH), a récemment reçu un regain d'attention grâce à ses connaissances uniques sur les phénomènes physiques se produisant à l'interface héliosphérique.

Le Dr Nikolai Pogorelov et le Dr Jacob Heerikhuisen sont tous deux membres du corps professoral du Département des sciences spatiales et chercheurs du Centre de recherche sur le plasma spatial et l'aéronomie de l'UAH, dont le Dr Heerikhuisen est le directeur associé. Leurs collaborations précédentes incluent, parmi des dizaines d'autres, co-auteur d'articles sur les protons à distribution dans le vent solaire et leur couplage d'échange de charge à l'hydrogène énergétique et l'effet de nouveaux paramètres du milieu interstellaire sur l'héliosphère et les atomes neutres énergétiques de la frontière interstellaire.

Une grande partie de leur travail consiste à résoudre des modèles mathématiques complexes de processus physiques à l'aide de superordinateurs, en particulier Blue Waters, dans le cadre du Petascale Computing Research Allocation Program de la National Science Foundation. Dr Pogorelov, qui est membre du comité consultatif de l'équipe scientifique et technique de Blue Waters, dit que lui et ses coauteurs sont reconnaissants des opportunités offertes par le programme.

Pour cette étude, les chercheurs se sont concentrés sur l'héliopause, la frontière entre le vent solaire et le milieu interstellaire local. Plus précisément, ils espéraient expliquer les données d'observation obtenues à partir de Voyager 1 et Voyager 2, Les sondes spatiales de la NASA lancées en 1977, et l'explorateur des frontières interstellaires, un satellite de la NASA lancé en 2008.

"Nous avions besoin d'augmenter considérablement la résolution de la grille, pour « zoomer » sur la région proche de l'héliopause, " dit le Dr Pogorelov, membre 2017 de l'American Physical Society. "Nous avons donc utilisé le raffinement adaptatif du maillage dans nos simulations de l'interaction du vent solaire avec le milieu interstellaire local." L'équipe a également utilisé des simulations 3D de plasma magnétohydrodynamique/atome neutre cinétique, et ensemble, ces techniques leur ont permis de montrer qu'une couche limite distincte de densité plasmatique réduite et de champ magnétique accru devrait être observée du côté interstellaire de l'héliopause.

"Nous avons pu distinguer l'augmentation de la densité du plasma à travers l'héliopause de l'augmentation supplémentaire de la densité dans la couche limite héliosphérique, " dit-il. " Et nous avons démontré que le comportement de densité simulé dans la couche limite héliosphérique correspond bien à la fréquence mesurée des ondes plasma détectées dans le milieu interstellaire local par l'instrument à ondes plasma à bord de Voyager 1. "

En général, la fréquence du plasma devrait continuer à augmenter jusqu'à ce que l'engin spatial quitte la couche limite héliosphérique. Cependant, les effets dépendants du temps tels que le cycle solaire peuvent entraîner des périodes de fréquence plasma presque constante, qui à leur tour sont ensuite dépassés par la tendance générale à l'augmentation de la densité. Le Dr Pogorelov et son équipe soutiennent que la couche limite héliosphérique n'est pas le résultat de l'anisotropie du plasma, comme on le trouve dans les couches d'appauvrissement du plasma de la magnétosphère terrestre ; plutôt, elle est due à l'échange de charges entre les atomes H neutres et les protons.

Du point de vue du milieu interstellaire local, la densité du plasma augmente à mesure que le milieu interstellaire local se rapproche de l'héliopause jusqu'à ce qu'il pénètre dans la couche limite héliosphérique. "L'influence de l'échange de charges sur les quantités en amont et en aval d'un éventuel choc à l'intérieur d'une onde d'étrave a été découverte il y a quelques décennies, " dit-il. " Mais nous avons pu distinguer la contribution d'une augmentation liée au choc à une augmentation plus progressive à l'intérieur d'une onde dite d'étrave. " Les résultats produits par le modèle utilisé par l'équipe étaient cohérents avec les observations à distance et sur place d'IBEX, Ulysse, et le vaisseau spatial Voyager. "Il a été démontré que la contribution d'un sous-choc est généralement faible par rapport à l'augmentation globale de la densité pour les propriétés réalistes du vent solaire et du milieu interstellaire local."

Les simulations du modèle ont également pu montrer qu'il n'y a pas de "saut" de magnitude de champ magnétique à travers l'héliopause en reproduisant la rotation du vecteur de champ magnétique à travers l'héliopause, conformément aux observations de Voyager I. "Le comportement instable de l'héliopause montre que Voyager 1 a peut-être traversé les régions consécutives occupées par le vent solaire et le plasma du milieu interstellaire local sur le chemin de l'espace interstellaire, " dit le Dr Pogorelov. " Ce scénario est en accord qualitatif avec les observations de Voyager I d'un certain nombre d'augmentations et de diminutions consécutives du flux de rayons cosmiques galactiques. "

Le succès ultime de l'étude a été sa capacité à démontrer, pour la première fois dans des simulations globales, que la perturbation de l'héliopause peut être due à l'instabilité du mode de déchirure, accompagnant éventuellement la reconnexion magnétique. "Nous avons démontré que les observations de Voyager 1 et 2 dans l'héliogaine interne entre le choc de terminaison héliosphérique et l'héliopause sont cohérentes avec la dissipation du champ magnétique héliosphérique dans les régions balayées par la nappe de courant héliosphérique globale, qui peut être interprété comme l'équateur magnétique du champ magnétique héliosphérique."

Avec cette connaissance en main, les chercheurs envisagent maintenant la prochaine phase de leur étude. "Nos travaux futurs visent à étudier l'effet du vent solaire et de la turbulence locale du milieu interstellaire sur la reconnexion magnétique et les instabilités à proximité de l'héliopause, " dit le Dr Pogorelov. " En particulier, nous voulons utiliser les mesures des propriétés turbulentes de Voyager 1 et Voyager 2, qui sont disponibles avec une très grande précision, et utiliser ces données dans des simulations. Nous pouvons également créer un modèle qui décrit les propriétés de la turbulence." Le résultat, il continue, "sera une combinaison d'observation, théorie, et simulation" - et cela devrait sans aucun doute donner un aperçu tout aussi passionnant de l'héliopause.