Grâce aux données in-situ inédites de la mission Cluster de l'ESA, les scientifiques ont fait la lumière sur la nature en constante évolution du bouclier de la Terre contre le rayonnement cosmique, son choc d'étrave, révélant comment cet accélérateur de particules transfère et redistribue l'énergie dans l'espace.

La nouvelle étude a utilisé les observations de deux des quatre vaisseaux spatiaux de la mission Cluster, qui a volé en formation serrée à travers le choc de l'arc de la Terre, assis à seulement 7 kilomètres l'un de l'autre.

Les données ont été recueillies le 24 janvier 2015 à une distance de 90, 000 kilomètres de la Terre, environ un quart de la distance jusqu'à la Lune, et révèlent des propriétés du choc d'étrave qui n'étaient pas claires auparavant en raison de l'absence de mesures in situ aussi rapprochées.

Lorsqu'un flux supersonique rencontre un obstacle, un choc se forme. Cela se voit souvent dans l'univers autour des étoiles, restes de supernova, comètes, et les planètes – y compris la nôtre. Les chocs sont connus pour être des accélérateurs de particules très efficaces, et potentiellement responsable de la création de certaines des particules les plus énergétiques de l'univers.

Le choc autour de la Terre, connu sous le nom de choc d'arc, est notre première ligne de défense contre les particules inondant l'intérieur du cosmos, et notre banc d'essai le plus proche pour étudier la dynamique des chocs plasma. Il existe en raison de la haute, vitesses supersoniques des particules de vent solaire, qui créent un phénomène un peu proche de l'onde de choc qui se forme lorsqu'un avion franchit le mur de la vitesse du son.

La nouvelle étude, publié aujourd'hui dans Avancées scientifiques , révèle les mécanismes en jeu lorsque ce choc transfère de l'énergie d'un type à un autre.

"L'arc de choc de la Terre est un laboratoire de choc naturel et idéal, " déclare l'auteur principal Andrew Dimmock de l'Institut suédois de physique spatiale à Uppsala, Suède.

« Grâce à des missions comme Cluster, nous sommes capables de placer plusieurs engins spatiaux à l'intérieur et autour de lui, couvrant des échelles de centaines à quelques kilomètres seulement.

"Cela signifie que nous pouvons distinguer comment le choc change dans l'espace et dans le temps, quelque chose de crucial pour caractériser un choc de ce type."

Il existe plusieurs types de choc, défini par la manière dont ils transfèrent l'énergie cinétique en d'autres types d'énergie. Dans l'atmosphère terrestre, l'énergie cinétique est transformée en chaleur lorsque les particules entrent en collision les unes avec les autres - mais les grandes distances en jeu lors du choc de l'arc de notre planète signifient que les collisions de particules ne peuvent pas jouer un tel rôle dans le transfert d'énergie là-bas, car ils sont tout simplement trop éloignés.

Ce type de choc est donc appelé choc sans collision. De tels chocs peuvent exister à travers une vaste gamme d'échelles, de millimètres jusqu'à la taille d'un amas de galaxies, et à la place, ils transfèrent de l'énergie via des processus impliquant des ondes plasma et des champs électriques et magnétiques.

"En plus d'être sans collision, Le choc de l'arc de la Terre peut également être non stationnaire, " ajoute le co-auteur Michael Balikhin de l'Université de Sheffield, ROYAUME-UNI.

"Dans un sens, il se comporte comme une vague dans la mer :lorsqu'une vague s'approche de la plage, il semble grandir à mesure que la profondeur diminue, jusqu'à ce qu'elle se brise - c'est parce que la crête de la vague se déplace plus vite que le creux, l'amenant à se replier et à se casser.

« Ce genre de « rupture » ​​se produit pour les ondes de plasma, trop, bien que la physique soit un peu plus compliquée."

Pour étudier en détail les échelles physiques auxquelles cette vague déferlante est initiée - quelque chose qui était auparavant inconnu - les chercheurs ont sollicité une campagne spéciale dans laquelle deux des quatre sondes Cluster ont été déplacées à une distance sans précédent de moins de 7 km, la collecte de données haute résolution à partir du choc lui-même.

Analyser les données, l'équipe a découvert que les mesures du champ magnétique obtenues par les deux vaisseaux spatiaux Cluster différaient considérablement. Cette preuve directe que des structures de champ magnétique à petite échelle existent dans l'étendue plus large du choc d'arc indiquent qu'elles sont essentielles pour faciliter la rupture des ondes de plasma, et donc le transfert d'énergie, dans cette partie de la magnétosphère.

Avec des tailles de quelques kilomètres, similaire aux échelles auxquelles les électrons tournent autour des lignes de champ magnétique, ces structures sont situées dans une partie particulièrement fine et variable du choc, où les propriétés du plasma constitutif et des champs environnants peuvent changer le plus radicalement.

"Cette partie de l'amortisseur d'arc est connue sous le nom de rampe d'amortisseur, et peut être aussi mince que quelques kilomètres - une conclusion qui était également basée sur les données du cluster il y a quelques années, " dit le co-auteur Philippe Escoubet, qui est également scientifique du projet ESA pour la mission Cluster.

Lancé en 2000, Les quatre vaisseaux spatiaux de Cluster volent en formation autour de la Terre, ce qui en fait la première mission spatiale capable d'étudier, en trois dimensions, les processus physiques se produisant à l'intérieur et à proximité immédiate de l'environnement magnétique de la Terre.

« Ce genre d'étude montre vraiment l'importance du Cluster comme mission, " ajoute Escoubet. " En réalisant des séparations incroyablement petites des engins spatiaux - sept kilomètres comme utilisé dans cette étude et encore plus petit, jusqu'à seulement trois kilomètres – Cluster nous permet de sonder l'environnement magnétique de notre planète aux plus petites échelles jamais atteintes.

"Cela fait progresser notre compréhension du choc de l'arc de la Terre et de la façon dont il agit comme un accélérateur de particules géant - quelque chose qui est essentiel dans notre connaissance de l'univers de haute énergie."