En utilisant plus de 18 ans de données de la mission Cluster de l'ESA, les scientifiques ont cartographié les métaux lourds dans l'espace entourant la Terre, trouver une distribution et une prévalence inattendues du fer et faire la lumière sur la composition de notre environnement cosmique.

L'espace est souvent présumé dépourvu de matière, mais techniquement ce n'est pas vraiment vide :la répartition de la matière est juste très, très clairsemée. Au voisinage de la Terre, l'espace que les scientifiques appellent « géoespace » est en fait rempli de particules chargées :un mélange d'électrons, qui ont une charge négative, et des ions chargés positivement. Ces ions sont des acteurs clés dans les processus électrodynamiques que nous voyons dans le géospatial, et contribuent aux turbulences, nature changeante de cette partie du cosmos.

Une détection surprenante

Une nouvelle étude utilise plus de 18 ans de données de la mission Cluster de l'ESA, lancée en août 2000 et approchant de son 20e anniversaire dans l'espace, pour explorer la prévalence d'un ion important considéré comme relativement rare près de la Terre :le fer. En fouillant dans les données du Cluster recueillies de 2001 à 2018, les chercheurs ont détecté une distribution inattendue de fer dans tout le géospatial.

« Bien que les montants soient minimes, nous avons trouvé du fer partout :dans toute la région géospatiale couverte par Cluster, et dans le vent solaire proche de la Terre - l'effusion continue de particules chargées du soleil, " déclare l'auteur principal Stein Haaland de l'Institut Max Planck pour la recherche sur le système solaire à Göttingen, Allemagne, et le Birkeland Center for Space Science de l'Université de Bergen, Norvège.

« Nous avons détecté du fer dans environ 10 % des observations qui, étant donné la rareté relative de l'ion, est surprenant. On ne s'attendait pas à le retrouver si souvent."

Cependant, ce n'est pas la présence du fer lui-même qui est surprenante, mais plutôt ses propriétés. Le satellite JAXA/NASA Geotail, qui a passé plus de 25 ans à observer l'environnement magnétique de la Terre, avait détecté du fer simple ionisé dans le géospatial en 2017. Il s'agit d'atomes de fer qui n'ont été dépouillés que du plus externe de leurs électrons. Les nouveaux résultats confirment non seulement cette constatation, mais fournissent une nouvelle partie essentielle de l'image.

"Les observations du cluster se concentrent sur une gamme d'énergie beaucoup plus élevée que Geotail, et nous donner une vision plus complète de l'espace qui nous entoure, détecter non seulement le fer à ionisation simple mais aussi le fer à ionisation multiple - ce sont des ions dans des états énergétiques plus élevés qui ont été dépouillés de plus d'un électron, " ajoute Stein. "Le fer dans le vent solaire a tendance à être vu dans des états de charge plus élevés, nous avons donc besoin de cela plus large, gamme d'énergie plus élevée pour comprendre le vent solaire en particulier et son impact sur l'environnement magnétique de la Terre."

La source du fer dans le géospatial

Les ions peuvent entrer dans le géoespace par le haut ou par le bas. Certains remontent de l'atmosphère terrestre, tandis que d'autres affluent du vent solaire. La source de métaux lourds, comme le fer, est encore débattue - d'où viennent ces ions, et comment contribuent-ils aux phénomènes que nous voyons autour de nous ?

"Les observations de Geotail se sont concentrées sur le fer remontant de l'atmosphère terrestre, et à des énergies plutôt basses, " explique Stein. " Nous avons constaté qu'il y a beaucoup plus de fer provenant du soleil, et à des énergies bien plus élevées. Nous avons également trouvé du fer dans les régions situées au-dessus des calottes polaires de la Terre, un endroit que Geotail n'a pas couvert."

En s'appuyant sur les résultats précédents, la nouvelle étude explore plus en profondeur la source potentielle du fer ionisé. C'est un facteur clé pour comprendre la dynamique et les propriétés du géospatial, notre magnétosphère, le vent solaire, et comment ces structures se rencontrent et interagissent.

Des recherches antérieures ont suggéré que les détections d'ions fer à des latitudes plus élevées peuvent être dues à une variété de facteurs, y compris les météorites entrant dans l'atmosphère terrestre et se désintégrant, les particules étant élevées de certaines couches de l'atmosphère, ou même des particules éjectées de la Lune. Cependant, les nouveaux résultats du cluster ne montrent aucune preuve convaincante d'aucun de ces processus ; au lieu, ils suggèrent que le fer vient directement du soleil.

"Les données sur la distribution et la présence du fer ont varié dans le temps d'une manière qui correspondait aux perturbations du champ magnétique terrestre, et les fluctuations à long terme de l'activité solaire, " dit Stein. "Cela suggère que la majeure partie du fer dans le géospatial provient du vent solaire qui a traversé la magnétosphère, plutôt que de voyager vers le haut depuis l'atmosphère de notre planète."

Caché dans les données

Pour cartographier la composition du géospatial, Stein et ses collègues ont utilisé les données de cluster d'une manière inattendue. Ils ont exploité des mesures qui n'ont pas été recueillies à des fins scientifiques, mais pour le diagnostic opérationnel de l'un des instruments du vaisseau spatial - RAPID (Research with Adaptive Particle Imaging Detectors).

L'instrument identifie et caractérise les différents ions qu'il détecte en mesurant leurs énergies et leur temps de parcours à l'intérieur du détecteur. Pour l'activité scientifique ordinaire, RAPID calcule ces propriétés uniquement pour l'hydrogène, atomes d'hélium et d'oxygène; cependant, à des fins diagnostiques, l'instrument offre des propriétés supplémentaires pour un nombre limité de particules, l'extension de la gamme sondée aux ions plus lourds.

Ces mesures servent à étalonner l'instrument et à s'assurer qu'il fonctionne comme prévu. Cependant, les scientifiques ont utilisé ces observations diagnostiques – un total de 122 000 heures – pour déterminer la composition des ions entrants et identifier les particules de fer.

"La capacité de RAPID à mesurer la composition ionique était essentielle. Nous avons besoin de mesures de composition pour nous aider à mieux comprendre d'où proviennent les différents éléments trouvés sur ou près de la Terre, et caractériser notre environnement cosmique, " dit Stein.

Exploiter les archives

Comprendre l'espace qui entoure la Terre est l'un des principaux objectifs de Cluster. Le quatuor d'engins spatiaux, volant en formation autour de la Terre, a passé des années à entrer et sortir du champ magnétique de notre planète, étudier comment le soleil et la Terre interagissent et caractériser les phénomènes causés par ces interactions.

La longévité de la mission et sa large orbite lui ont permis de rassembler près de deux décennies de données couvrant toutes les régions proches de la Terre de l'espace, et une grande partie du vent solaire.

"Nous avions besoin de ce long laps de temps pour nos recherches - et cela n'a été possible que grâce au Cluster Science Archive, qui fournit des données de la meilleure qualité à la communauté scientifique, " ajoute le co-auteur Patrick Daly, également de l'Institut Max Planck pour la recherche sur le système solaire et chercheur principal de l'instrument RAPID.

"Il a fallu des efforts considérables pour mettre en place cette archive, et de maintenir continuellement ses normes très élevées d'étalonnage et de fiabilité. Les archives font honneur aux nombreux ingénieurs dévoués, les opérateurs d'engins spatiaux et les équipes d'archivage de données qui ont veillé à ce que Cluster reste opérationnel et fournisse toujours de nouvelles, passionnant, informations accessibles sur l'espace proche de la Terre.

Notamment, les ensembles de données du Cluster Science Archive comprennent des données de diagnostic détaillées, ce qui n'est généralement pas inclus dans toutes les archives de mission.

"Cela met en évidence l'importance des archives scientifiques en général et des données de diagnostic en particulier, montrer comment des informations vraiment précieuses peuvent être glanées à partir de ces ensembles de données polyvalents afin de produire des résultats scientifiques de pointe, " dit Philippe Escoubet, Scientifique du projet Cluster ESA.

« Cela montre également comment la recherche évolue et avance continuellement. La détection du fer aurait été un résultat totalement inattendu à l'époque du lancement de Cluster, mais la mission continue de fournir un trésor de données sur l'environnement de la Terre."