Alors que la Terre tourne autour du soleil à une vitesse supersonique, il coupe un chemin à travers le vent solaire. Ce flux rapide de particules chargées, ou plasma, lancé depuis les couches externes du soleil bombarderait l'atmosphère terrestre si ce n'était pour protéger le champ magnétique terrestre.

Tout comme un bateau à moteur crée une vague en forme d'arc devant lui lorsque la coque pousse dans l'eau, La Terre crée un effet similaire, appelé choc d'arc, lorsqu'elle traverse le vent solaire. Les scientifiques ont cherché à expliquer comment le champ magnétique terrestre peut repousser le puissant vent solaire sans déclencher de calamité. Ils connaissent depuis longtemps une partie de la réponse :le choc d'arc convertit l'énergie du vent solaire en chaleur stockée sous forme d'électrons et d'ions. Mais maintenant, les chercheurs ont de nouveaux indices importants sur la façon dont ce processus se produit.

Une étude menée par l'Université du Maryland décrit les premières observations du processus de chauffage des électrons dans le choc de l'arc de la Terre. Les chercheurs ont découvert que lorsque les électrons du vent solaire rencontrent le choc de l'arc, ils accélèrent momentanément à une vitesse si élevée que le flux d'électrons devient instable et se décompose. Ce processus de décomposition prive les électrons de leur grande vitesse et convertit l'énergie en chaleur.

Les résultats ajoutent une nouvelle dimension importante à la compréhension des scientifiques du champ magnétique terrestre et de sa capacité à protéger la planète des particules et des rayonnements nocifs. Le document de recherche a été publié dans la revue Lettres d'examen physique le 31 mai 2018.

« Si tu te tenais au sommet d'une montagne, vous pourriez être renversé par un vent rapide, " a expliqué Li-Jen Chen, auteur principal de l'étude et chercheur associé au département d'astronomie de l'UMD. "Heureusement, alors que le vent solaire s'écrase sur le champ magnétique terrestre, l'amortisseur d'étrave nous protège en ralentissant ce vent et en le changeant en un joli, brise chaude. Nous avons maintenant une meilleure idée de la façon dont cela se produit. »

Les scientifiques ont obtenu leurs données de la mission Magnetospheric Multiscale (MMS) de la NASA. La mission MMS se compose de quatre satellites identiques qui transportent des instruments pour étudier la physique du champ magnétique terrestre lorsqu'il interagit avec le vent solaire. Les satellites ont obtenu des mesures tridimensionnelles toutes les 30 millisecondes, résultant en des centaines de mesures dans la couche de choc avant. Ces hautes fréquences, des mesures précises de la mission MMS étaient essentielles à l'étude.

"Les mesures extrêmement rapides du MMS nous ont finalement permis de voir le processus de chauffage des électrons dans la fine couche de choc, " a déclaré Thomas Moore, un scientifique principal du projet au Goddard Space Flight Center de la NASA et co-auteur de l'étude. "C'est révolutionnaire car nous avons maintenant la capacité d'identifier le mécanisme à l'œuvre, au lieu d'observer simplement ses conséquences."

Les scientifiques savent depuis un certain temps que le choc d'arc est en quelque sorte capable de convertir l'énergie des électrons en chaleur sans aucune collision directe entre les électrons. Cela signifie que la friction - une façon courante de générer de la chaleur ici sur Terre - n'est pas responsable du chauffage des électrons dans le choc de l'arc.

"Les nouvelles observations de l'accélération des électrons au choc de l'arc réécrivent la compréhension actuelle du chauffage des électrons, " dit Chen, qui est également chercheur au Goddard Space Flight Center de la NASA. "Par exemple, les chercheurs ne s'attendaient pas à ce que le choc de l'arc puisse accélérer le flux d'électrons du vent solaire aux vitesses que nous avons observées."

Dans une phase antérieure de la mission MMS, les satellites orbitaient généralement beaucoup plus près de la Terre, ils manquaient donc généralement le choc de l'arc. Cependant, une explosion inattendue de vent solaire a poussé le choc d'étrave plus près de la Terre, permettant aux satellites de capturer des données rares et informatives.

Profitant de cet avantage, les chercheurs ont déjà observé le flux d'électrons du vent solaire, pendant et après la rencontre avec l'amortisseur d'étrave. Le flux d'électrons accéléré par le choc n'a pris que 90 millisecondes pour se déstabiliser et se décomposer complètement.

"L'étude du chauffage des électrons est importante non seulement pour comprendre comment le choc de l'arc protège la Terre, mais potentiellement pour les satellites, voyager dans l'espace et peut-être explorer d'autres planètes à l'avenir, " dit Chen.

En donnant la première image claire de ce que font les électrons au choc de l'arc, Chen et ses collaborateurs espèrent encourager d'autres scientifiques à effectuer des simulations informatiques, d'autres observations spatiales et expériences de laboratoire sur le chauffage électronique. Chen a également hâte d'approfondir les mécanismes par lesquels le choc d'arc accélère le flux d'électrons.

"Typiquement, les scientifiques ont des simulations ou des théories pour prédire ce qui se passe, puis ils conçoivent des expériences pour le mesurer, " dit Chen. " Cette fois, c'est le contraire :la mesure est venue en premier. La simulation et la théorie devront rattraper leur retard."