Le mystère de la raison pour laquelle les comètes voyageant dans l'espace émettent des émissions de rayons X a été résolu grâce à de nouvelles recherches entreprises par une équipe comprenant du personnel scientifique de la Central Laser Facility (CLF) de STFC et de RAL Space.

Les scientifiques se demandent depuis longtemps pourquoi les comètes peuvent émettre des rayons X, étant donné que les rayons X sont normalement associés à des objets chauds comme le Soleil, mais les comètes sont parmi les objets les plus froids du système solaire.

Lorsque les comètes traversent le système solaire, elles interagissent avec le rayonnement solaire, le vent solaire et le champ magnétique solaire. Cette interaction produit une atmosphère visible ou un coma autour de la comète et de la queue cométaire observée, et dans certains cas produit des rayons X. Ces rayons X sont générés du côté solaire de la comète où le vent solaire impacte l'atmosphère cométaire formant un choc d'étrave.

Pour étudier comment les rayons X peuvent être émis par une comète, une équipe de scientifiques de 15 instituts de recherche a réalisé des expériences dans l'installation laser LULI à Paris où ils ont reproduit l'interaction du vent solaire avec une comète.

L'équipe STFC impliquée dans le projet a contribué à l'élaboration du modèle scientifique de l'interaction du vent solaire avec la comète. Cela comprenait le modèle théorique pour la génération de turbulence plasma, l'accélération des électrons par la turbulence et l'émission de rayons X des électrons accélérés. L'équipe STFC a également soutenu une équipe de l'Université d'Oxford dans les simulations numériques et a entrepris la fabrication de la cible.

Le professeur Bob Bingham de la FCF a dirigé l'équipe STFC impliquée dans le projet et a déclaré

"Ces résultats expérimentaux sont importants car ils fournissent des preuves directes en laboratoire que les objets se déplaçant à travers des plasmas magnétisés peuvent être des sites d'accélération d'électrons - une situation très générale en astrophysique qui se déroule non seulement dans les comètes, mais aussi dans les magnétosphères planétaires, comme notre propre Terre, ou même dans les restes de supernova, où la matière éjectée se déplace à travers le gaz interstellaire. Les expériences confirment également les modèles théoriques développés par l'équipe."

Les autres membres de l'équipe du STFC comprenaient le Dr Raoul Trines et Chris Spindloe de CLF et le Dr Ruth Bamford de l'installation spatiale RAL de STFC.

Pour le Dr Raoul Trines de CLF, le point culminant du projet a été de reproduire une force de la nature

"En tant que théoricien, je trouve étonnant qu'il soit possible de reproduire judicieusement des phénomènes astrophysiques en laboratoire, pour tester notre compréhension physique de ce que fait la Nature".

Pour les expériences, l'équipe de recherche a tiré des faisceaux laser sur une feuille de plastique, qui a explosé, provoquant l'expulsion d'un flux d'électrons et d'ions, formant un flux à grande vitesse de gaz ionisé (plasma) comme le vent solaire. Ce « flux de plasma » a ensuite impacté une sphère solide, la soi-disant "comète" de laboratoire, placé à près d'un centimètre du film plastique, ressemble à ce qui se passe lorsqu'une vraie comète traverse le système solaire. Il a été constaté que les électrons sont chauffés à environ un million de degrés dans le plasma en amont par la turbulence du plasma.

Ces électrons chauds sont responsables de l'émission de rayons X mais uniquement en présence d'un champ magnétique.

Ce travail met également en lumière un mystère des rayons cosmiques connu sous le nom de problème d'injection. Il est largement reconnu que de fortes ondes de choc devraient accélérer les particules à de très hautes énergies, cependant, ils nécessitent une source de particules assez rapide pour traverser le choc, le problème d'injection. Chaque fois que les particules traversent le choc, elles gagnent de l'énergie. Cette dernière expérience démontre clairement que la turbulence du plasma peut fournir une source de particules rapides surmontant le problème d'injection.

Du point de vue des sciences spatiales, cette recherche a été importante pour mieux comprendre les mécanismes qui créent les rayons cosmiques. Les rayons cosmiques les plus dangereux sont les particules énergétiques du Soleil ou de l'extérieur du système solaire. Ils peuvent pénétrer même des murs épais comme de minuscules balles et présentent un danger très sérieux pour les astronautes et la technologie des engins spatiaux. Des milliards de livres peuvent être en danger en raison de la météo spatiale (comme on l'appelle) endommageant les satellites. Les astronautes en mission à long terme en dehors de la magnétosphère terrestre pourraient recevoir des doses de rayonnement potentiellement mortelles de ces particules. Afin de les protéger, nous devons comprendre comment ce rayonnement est créé afin de pouvoir le prédire et donner des avertissements ou même se protéger contre lui en utilisant des mécanismes similaires à ceux qui l'ont créé.

Une expérience de laboratoire comme celle-ci nous permet de tester notre compréhension de la façon dont les rayons cosmiques sont accélérés à des énergies aussi élevées, dans un environnement contrôlé. Quelque chose qui n'est pas facile à faire directement dans l'espace.

L'article a été publié en Physique de la nature .