Que se passe-t-il lorsque le vent solaire commence soudainement à souffler beaucoup plus fort ? Selon deux études récentes, les limites de l'ensemble de notre système solaire montent vers l'extérieur et une analyse des particules rebondissant sur ses bords révélera sa nouvelle forme.

Fin 2014, Le vaisseau spatial de la NASA a détecté un changement substantiel dans le vent solaire. Pour la première fois depuis près d'une décennie, la pression du vent solaire - une mesure combinée de sa vitesse et de sa densité - avait augmenté d'environ 50 pour cent et est restée ainsi pendant plusieurs années par la suite. Deux ans plus tard, l'explorateur des frontières interstellaires, ou IBEX, vaisseau spatial a détecté le premier signe des conséquences. Les particules de vent solaire de l'augmentation de la pression de 2014 avaient atteint le bord de l'héliosphère, se sont neutralisés, et tourné tout le chemin vers la Terre. Et ils avaient une histoire à raconter.

Dans deux articles récents, les scientifiques ont utilisé les données IBEX ainsi que des modèles numériques sophistiqués pour comprendre ce que ces atomes en rebond peuvent nous dire sur l'évolution de la forme et de la structure de notre héliosphère, la bulle géante creusée par le vent solaire.

"Les résultats montrent que l'augmentation de la pression du vent solaire en 2014 s'est déjà propagée du Soleil à l'héliosphère externe, transformer et étendre les limites de notre héliosphère dans leur direction la plus proche, " a déclaré David McComas, le chercheur principal de la mission IBEX à l'Université de Princeton à Princeton, New Jersey. "Les données IBEX affluant au cours des prochaines années nous permettront de tracer l'expansion et l'évolution de la structure des autres parties des limites extérieures de l'héliosphère."

Du Soleil aux confins du système solaire—et retourAu cœur de l'histoire se trouvent des atomes neutres énergétiques—des particules de haute énergie produites au bord même de notre système solaire.

Alors que le vent solaire sort du Soleil à des vitesses supersoniques, il fait exploser une bulle connue sous le nom d'héliosphère. L'héliosphère englobe toutes les planètes de notre système solaire et une grande partie de l'espace au-delà, séparant le domaine de notre Soleil de celui de l'espace interstellaire.

Mais le voyage du vent solaire depuis le Soleil n'est pas un trajet sans heurts. En route vers les confins de notre héliosphère, connue sous le nom d'héliopause, le vent solaire traverse des couches distinctes. Le premier d'entre eux est connu sous le nom de choc de terminaison.

Avant de passer le choc de terminaison, le vent solaire se développe rapidement, en grande partie sans entrave par le matériel extérieur.

"Mais à la fin du choc, à environ 9,3 milliards de kilomètres de nous dans toutes les directions, le vent solaire ralentit brutalement. Au-delà de ce point, il continue à se déplacer vers l'extérieur, mais il fait beaucoup plus chaud, " a déclaré Eric Zirnstein, auteur principal de l'un des articles de Princeton.

Une fois passé le choc de terminaison, les particules de vent solaire pénètrent dans une zone spéciale des limbes connue sous le nom d'héliogaine. Alors que le choc de terminaison est essentiellement sphérique, on pense que les bords de l'héliosphère décrivent davantage un arc autour du Soleil lorsqu'il se déplace dans l'espace - plus près du Soleil vers l'avant, et s'étendant loin derrière elle, un peu comme une comète avec une queue. Le long de ces frontières, les particules du vent solaire se mélangent aux particules de l'espace interstellaire. Les collisions sont inévitables :le chaud, les particules de vent solaire chargées électriquement se heurtent au plus lent, atomes neutres plus froids de l'espace interstellaire, voler un électron et devenir eux-mêmes neutres.

"De là, ils voyagent balistiquement dans l'espace, et certains font tout le chemin du retour sur Terre, " dit Zirnstein. " Ce sont les atomes neutres énergétiques qu'IBEX observe. "

Fin 2016, lorsque l'imageur énergétique à atomes neutres d'IBEX a commencé à capter un signal inhabituellement fort, Le professeur McComas et son équipe ont entrepris d'enquêter sur sa cause. Leurs conclusions sont rapportées dans un article publié le 20 mars, 2018, dans le Lettres de revues astrophysiques .

Les atomes neutres énergétiques venaient d'environ 30 degrés au sud de la direction au vent interstellaire, où l'héliogaine était connue pour être la plus proche de la Terre.

Pour quantifier son lien avec l'augmentation de la pression du vent solaire en 2014, McComas et son équipe se sont tournés vers les simulations numériques, comprendre comment une telle augmentation de pression pourrait affecter les atomes neutres énergétiques observés par IBEX.

"Ces types de simulations impliquent un modèle pour la physique, qui se transforme ensuite en équations, qui sont à leur tour résolus sur un supercalculateur, " a déclaré Jacob Heerikhuisen, co-auteur des deux articles à l'Université de l'Alabama à Huntsville.

En utilisant des modèles informatiques, l'équipe a simulé une héliosphère entière, l'a secoué avec une augmentation de la pression du vent solaire, et laissez-le exécuter les chiffres. La simulation a complété une histoire seulement suggérée par les données.

D'après la simulation, une fois que le vent solaire frappe le choc de terminaison, il crée une onde de pression. Cette onde de pression continue jusqu'au bord de l'héliosphère et rebondit partiellement vers l'arrière, forçant les particules à entrer en collision dans l'environnement de l'héliogaine (maintenant beaucoup plus dense) qu'elles viennent de traverser. C'est là que sont nés les atomes neutres énergétiques observés par IBEX.

Les simulations ont fourni un cas convaincant :IBEX observait en effet les résultats de l'augmentation de la pression du vent solaire en 2014, plus de deux ans plus tard.

Mais la simulation ne s'est pas arrêtée là. Il a également révélé que l'augmentation de la pression du vent solaire en 2014 serait, heures supplémentaires, continuer à faire exploser l'héliosphère encore plus loin. Trois ans après l'augmentation de la pression du vent solaire - au moment de la publication de l'article - le choc de terminaison, la bulle interne dans l'héliosphère, devrait augmenter de sept unités astronomiques, ou sept fois la distance de la Terre au Soleil. L'héliopause, la bulle extérieure, devrait augmenter de deux unités astronomiques, avec deux autres l'année suivante.

En bref, en augmentant la pression du vent solaire, notre héliosphère est aujourd'hui plus grande qu'elle ne l'était il y a quelques années.

La nouvelle forme de l'héliosphère

McComas et ses collègues ont étudié les tout premiers signes de l'augmentation de la pression du vent solaire en 2014. Mais regarder les données au cours des années à venir peut nous en dire encore plus, cette fois sur l'évolution de la forme de notre héliosphère.

« Il y a eu de nombreuses études, certains d'il y a longtemps, prédire à quoi devrait ressembler la forme de l'héliosphère, " Zirnstein, l'auteur principal de l'article, rapports. "Mais c'est encore très débattu dans la communauté de la modélisation. Nous espérons que l'augmentation de la pression du vent solaire en 2014 pourrait y contribuer."

En utilisant les mêmes données et simulations utilisées dans le document précédent, Zirnstein et ses collègues ont avancé l'horloge, modélisation de l'héliosphère huit ans après l'augmentation de la pression du vent solaire en 2014. Les résultats décrivent non seulement le passé, mais aussi modeler l'avenir. L'article a été publié le 30 mai 2018, dans The Astrophysical Journal.

"Ce que nous pensons que nous devrions voir dans un avenir proche, c'est un anneau, s'étendant dans le ciel, marquant l'évolution du flux énergétique d'atomes neutres au cours du temps, " a déclaré Zirnstein. " Cet anneau s'étend à partir du point de contact initial dans l'héliosphère externe, vers les directions de l'héliotail."

Bien que le signal initial détecté par IBEX en 2016 était un cercle plein, ça ne restera pas comme ça. Alors que le vent solaire de 2014 atteint de plus en plus les points de l'héliopause, ils mettent plus de temps à rebondir, comme l'écho d'un mur lointain. La forme arrondie de l'héliosphère fait que cet écho se réfléchit sous la forme d'un anneau.

Mais la conclusion clé est venue de regarder l'anneau pendant qu'il s'agrandit.

Dans leur simulation, Zirnstein et ses collègues ont découvert que la vitesse précise à laquelle l'anneau se dilate dépend en partie des distances entre les différentes couches de l'héliosphère :le choc de terminaison, l'héliopause, et la partie de l'héliogaine où étaient produits les neutres énergétiques. Zirnstein s'est rendu compte qu'il avait trouvé une nouvelle façon de mesurer la taille et la forme de l'héliosphère.

"Nous pourrions estimer les distances aux différentes limites de l'héliosphère juste en regardant cet anneau changer au fil du temps dans le ciel, " dit Zirnstein.

Zirnstein et ses collègues ont utilisé leur héliosphère simulée pour mener une étude test. En mesurant le taux d'expansion de l'anneau (et en le branchant sur les bonnes équations), ils pourraient reproduire avec précision les distances aux structures clés dans leur héliosphère simulée. Puisqu'ils savaient quelles étaient ces distances dans leur simulation, ils pouvaient vérifier leur travail, valider que la technique a obtenu les bonnes réponses et devrait être précise lorsqu'elle est appliquée à la vraie héliosphère.

Des déformations de l'anneau, des écarts par rapport à un cercle parfait, pourraient également révéler des asymétries dans la forme générale de l'héliosphère. "Cela dépend de la symétrie ou de l'asymétrie de l'héliosphère, " ajouta Zirnstein. " Si l'héliosphère était une " forme de comète idéale, ' l'anneau devrait s'étendre symétriquement au fil du temps. Mais en réalité, cela n'arrivera probablement pas, nous devrons attendre et voir ce que nous dira IBEX."

Zirnstein a exprimé son enthousiasme quant à la possibilité d'apprendre la vraie forme de l'héliosphère.

"Au cours des prochaines années, avec plus de données IBEX, j'espère que nous pourrons construire une image en 3D de la forme de l'héliosphère, " dit Zirnstein.

Les résultats de ces deux études ont des implications pratiques importantes. « La connexion des changements du Soleil avec les observations énergétiques des atomes neutres nous aidera à comprendre les changements à long terme des conditions dangereuses pour l'environnement de rayonnement spatial - une sorte de climat spatial par opposition à la météo spatiale, " a déclaré McComas. " Comme le vent solaire souffle de plus en moins fort, et notre bulle solaire se dilate et se contracte, qui affecte directement la quantité de rayons cosmiques pouvant entrer dans l'héliosphère, mettant potentiellement en danger les astronautes lors de vols spatiaux de longue durée. »

Mais les résultats soulignent également l'incroyable puissance de notre étoile la plus proche. Changements sur le Soleil, y compris le vent solaire, avoir des conséquences importantes s'étendant sur des milliards de kilomètres dans l'espace où, à ce jour, seuls les deux vaisseaux spatiaux Voyager se sont jamais aventurés. Avec des techniques comme l'imagerie énergétique des atomes neutres, nous ne pouvons pas simplement imaginer, mais mesurer avec précision ces portions lointaines de l'héliosphère - notre maison dans la galaxie.