Il y a plus de 150 ans, le Soleil a soufflé la Terre avec un nuage massif de particules chargées chaudes. Cette goutte de plasma a généré un orage magnétique sur Terre qui a fait jaillir des étincelles de l'équipement télégraphique et a même déclenché quelques incendies. Maintenant appelé l'événement Carrington, après l'un des astronomes qui l'ont observé, un orage magnétique comme celui-ci pourrait se reproduire à tout moment, seulement maintenant, cela affecterait plus que les télégraphes :cela pourrait endommager ou provoquer des pannes dans les réseaux de téléphonie sans fil, systèmes GPS, des réseaux électriques alimentant des équipements médicaux vitaux et plus encore.

Les satellites orientés vers le soleil surveillent la lumière ultraviolette (UV) du Soleil pour nous avertir à l'avance des tempêtes solaires, les deux grands qui pourraient provoquer un événement semblable à Carrington ainsi que les plus petits, des perturbations plus courantes pouvant perturber temporairement les communications. Un élément clé de l'équipement utilisé dans ces détecteurs est un minuscule filtre métallique qui bloque tout, à l'exception du signal UV que les chercheurs doivent voir.

Mais pendant des décennies, il y a eu un problème majeur :en l'espace d'un an ou deux, ces filtres perdent mystérieusement leur capacité à transmettre la lumière UV, " s'assombrir " et obliger les astronomes à lancer des missions de recalibrage annuelles coûteuses. Ces missions impliquent l'envoi d'un instrument fraîchement calibré dans l'espace pour faire ses propres observations indépendantes de la lumière du soleil à des fins de comparaison.

Une théorie dominante a été que les filtres développaient une couche de carbone, dont la source est des contaminants sur le vaisseau spatial, qui a bloqué la lumière UV entrante. Maintenant, Des scientifiques du NIST et des collaborateurs du Laboratoire de physique atmosphérique et spatiale (LASP) de Boulder, Colorado, ont trouvé la première preuve indiquant que la carbonisation n'est pas le problème, et ça doit être autre chose, comme un autre passager clandestin possible de la Terre. Les chercheurs décrivent leur travail dans Physique solaire aujourd'hui.

"À ma connaissance, c'est le premier quantitatif, argument vraiment solide contre la carbonisation comme cause de la dégradation du filtre, " a déclaré le physicien du NIST Charles Tarrio.

À quoi servent-ils? Absolument tout

La majeure partie de la lumière produite par le Soleil est visible et comprend l'arc-en-ciel de couleurs allant du rouge (avec une longueur d'onde d'environ 750 nanomètres) au violet (avec une longueur d'onde d'environ 400 nm). Mais le Soleil produit également de la lumière avec des longueurs d'onde trop longues ou trop courtes pour que l'œil humain puisse la voir. L'une de ces plages est l'ultraviolet extrême (EUV), allant de 100 nm à seulement 10 nm.

Seulement environ un dixième de pour cent de la lumière solaire se situe dans la plage EUV. Ce petit signal EUV est extrêmement utile car il augmente en tandem avec les éruptions solaires. Ces éruptions à la surface du Soleil peuvent provoquer des changements dans la haute atmosphère terrestre qui perturbent les communications ou interfèrent avec les lectures GPS, votre téléphone pense soudain que vous êtes à 40 pieds de votre véritable position.

Les satellites qui mesurent les signaux EUV aident les scientifiques à surveiller ces éruptions solaires. Mais les signaux EUV donnent également aux scientifiques un aperçu des heures, voire des jours, avant des phénomènes plus destructeurs tels que les éjections de masse coronale (CME), le phénomène responsable de l'événement Carrington. Les futurs CME pourraient potentiellement surcharger nos lignes électriques ou augmenter l'exposition aux rayonnements des équipages des compagnies aériennes et des passagers voyageant à certains endroits.

Et de nos jours, les satellites font plus que nous avertir, a déclaré Frank Eparvier, chercheur principal au LASP, un collaborateur sur les travaux en cours.

"Au cours des dernières décennies, nous sommes passés de l'envoi d'alertes indiquant que des éruptions se sont produites à la possibilité de corriger la variabilité solaire due aux éruptions et aux CME, " a déclaré Eparvier. " Savoir en temps réel à quel point l'EUV solaire varie permet de faire fonctionner des modèles informatiques de l'atmosphère, qui peut ensuite produire des corrections pour les unités GPS afin de minimiser les impacts de cette variabilité. »

Le mystère des filtres nuageux

Deux métaux sont particulièrement utiles pour filtrer les quantités massives de lumière visible afin de laisser passer ce petit mais important signal EUV. Les filtres en aluminium transmettent la lumière EUV entre 17 nm et 80 nm. Les filtres en zirconium transmettent la lumière EUV entre 6 nm et 20 nm.

Alors que ces filtres commencent leur vie en transmettant beaucoup de lumière EUV dans leurs plages respectives, les filtres en aluminium, en particulier, perdent rapidement leurs capacités de transmission. Un filtre peut commencer par laisser passer 50 % de la lumière EUV de 30 nm jusqu'au détecteur. Mais en à peine un an, il ne transmet que 25% de cette lumière. D'ici cinq ans, ce nombre est descendu à 10 %.

"C'est un problème important, " dit Tarrio. Moins de lumière transmise signifie moins de données disponibles, un peu comme essayer de lire dans une pièce faiblement éclairée avec des lunettes de soleil sombres.

Les scientifiques savent depuis longtemps que des dépôts de carbone peuvent s'accumuler sur les instruments lorsqu'ils sont soumis à la lumière UV. Les sources de carbone sur les satellites peuvent aller des empreintes digitales aux matériaux utilisés dans la construction du vaisseau spatial lui-même. Dans le cas des filtres UV mystérieusement troubles, les chercheurs pensaient que du carbone s'y était déposé, absorbant la lumière EUV qui, autrement, aurait traversé.

Cependant, depuis les années 1980, les astronomes ont soigneusement conçu des engins spatiaux pour qu'ils soient aussi décarbonés que possible. Et ce travail les a aidés avec d'autres problèmes de carbonisation. Mais cela n'a pas aidé avec le problème du filtre en aluminium EUV. Néanmoins, la communauté soupçonnait toujours que la carbonisation était au moins partiellement responsable de la dégradation.

Créez votre propre météo spatiale

Pour tester cela dans un cadre contrôlé, Les chercheurs et collaborateurs du NIST ont utilisé une machine qui leur permet effectivement de créer leur propre météo spatiale.

L'instrument est le Synchrotron Ultraviolet Radiation Facility (SURF) du NIST, un accélérateur de particules de la taille d'une pièce qui utilise de puissants aimants pour déplacer les électrons en cercle. Le mouvement génère de la lumière EUV, qui peuvent être détournés via des miroirs spécialisés pour impacter des cibles - dans ce cas, les filtres satellites en aluminium et en zirconium.

Chaque filtre mesurait 6 millimètres sur 18 mm, plus petit qu'un timbre-poste, et seulement 250 nm d'épaisseur, environ 400 fois plus fin qu'un cheveu humain. Les échantillons de filtres étaient en fait légèrement plus épais que les vrais filtres satellites, avec d'autres petits changements conçus pour empêcher le faisceau SURF de brûler littéralement des trous dans les métaux. Pendant une course, la face arrière de chaque filtre a été exposée à une source contrôlée de charbon.

Pour accélérer le processus de test, l'équipe a fait sauter les filtres avec l'équivalent de cinq ans de météo spatiale en une heure ou deux. Incidemment, obtenir ce genre de puissance de faisceau n'était pas une sueur pour SURF.

"Nous réduisons SURF à environ un demi pour cent de sa puissance normale afin d'exposer les filtres à une quantité raisonnable de lumière, " a déclaré Tarrio. " Les satellites sont à 92 millions de miles du Soleil, et le Soleil n'émet pas énormément d'EUV pour commencer."

Finalement, après l'exposition, les chercheurs ont testé chaque filtre pour voir combien de lumière EUV dans la plage de longueurs d'onde correcte était capable de traverser.

L'équipe a constaté que la transmission n'était pas significativement différente après l'exposition par rapport à avant l'exposition, pour l'aluminium ou le zirconium. En réalité, la différence de transmission n'était qu'une fraction d'un pour cent, pas assez pour expliquer le type de trouble qui se produit dans les satellites spatiaux réels.

« Nous recherchions une baisse de 30% de la transmission, " dit Tarrio. " Et nous ne l'avons tout simplement pas vu. "

Comme test supplémentaire, les scientifiques ont donné aux filtres des doses de lumière encore plus importantes, l'équivalent de 50 ans de rayonnement ultraviolet. Et même cela n'a pas causé beaucoup de problème de transmission de la lumière, la croissance de seulement 3 nm de carbone sur les filtres, soit 10 fois moins que ce à quoi les chercheurs auraient pu s'attendre si le carbone était responsable.

Alors si ce n'est pas du carbone...

Le vrai coupable n'a pas encore été identifié, mais les chercheurs ont déjà un autre suspect en tête :l'eau.

Comme la plupart des métaux, l'aluminium a naturellement une fine couche à sa surface d'un matériau appelé oxyde, qui se forme lorsque l'aluminium se lie à l'oxygène. Tout, du papier d'aluminium aux canettes de soda, a cette couche d'oxyde, qui est chimiquement identique au saphir.

Dans le mécanisme proposé, la lumière EUV tirerait des atomes d'aluminium hors du filtre et les déposerait à l'extérieur du filtre, qui a déjà cette fine couche d'oxyde. Les atomes exposés réagiraient alors avec l'oxygène de l'eau de la Terre qui a fait du stop sur le vaisseau spatial. Ensemble, l'aluminium et l'eau exposés réagiraient pour former une couche d'oxyde beaucoup plus épaisse, qui pourrait théoriquement absorber la lumière.

D'autres expériences SURF prévues plus tard cette année devraient répondre à la question de savoir si le problème est vraiment l'eau, ou autre chose. "Ce serait la première fois que les gens se penchent sur le dépôt d'oxyde d'aluminium dans ce contexte, " a déclaré Tarrio. "Nous examinons cela comme une possibilité sérieuse."

— Rapporté et écrit par Jennifer Lauren Lee