Une nouvelle étude a révélé que les électrons peuvent atteindre des énergies ultra-relativistes pour des conditions très particulières dans la magnétosphère lorsque l'espace est dépourvu de plasma.

Des mesures récentes de la sonde spatiale Van Allen Probes de la NASA ont montré que les électrons peuvent atteindre des énergies ultra-relativistes en volant presque à la vitesse de la lumière. Hayley Allison, Yuri Shprits et ses collaborateurs du Centre de recherche allemand pour les géosciences ont révélé dans quelles conditions de telles fortes accélérations se produisent. Ils avaient déjà démontré en 2020 que lors des tempêtes solaires les ondes plasma jouent un rôle crucial pour cela. Cependant, il n'était pas clair auparavant pourquoi des énergies d'électrons aussi élevées ne sont pas atteintes dans toutes les tempêtes solaires. Dans la revue Avancées scientifiques , Allison, Shprits et ses collègues montrent maintenant que des épuisements extrêmes de la densité plasmatique de fond sont cruciaux.

Des électrons ultra-relativistes dans l'espace

Aux énergies ultra-relativistes, les électrons se déplacent presque à la vitesse de la lumière. Ensuite, les lois de la relativité deviennent les plus importantes. La masse des particules augmente d'un facteur dix, le temps ralentit, et la distance diminue. Avec de si hautes énergies, les particules chargées deviennent les plus dangereuses, même pour les satellites les mieux protégés. Comme presque aucun blindage ne peut les arrêter, leur charge peut détruire les composants électroniques sensibles. Prédire leur occurrence, par exemple, dans le cadre des observations de la météorologie spatiale pratiquées au GFZ, est donc très important pour les infrastructures modernes.

Pour étudier les conditions des énormes accélérations des électrons, Allison et Shprits ont utilisé les données d'une mission jumelle, les sondes de Van Allen, que l'agence spatiale américaine NASA avait lancée en 2012. L'objectif était de faire des mesures détaillées dans la ceinture de radiation, la ceinture dite de Van Allen, qui entoure la Terre en forme de beignet dans l'espace terrestre. Ici, comme dans le reste de l'espace, un mélange de particules chargées positivement et négativement forme un soi-disant plasma. Les ondes plasmatiques peuvent être comprises comme des fluctuations du champ électrique et magnétique, excité par les tempêtes solaires. Ils sont une force motrice importante pour l'accélération des électrons.

Analyse de données avec apprentissage automatique

Au cours de la mission, à la fois des tempêtes solaires produisant des électrons ultra-relativistes et des tempêtes sans cet effet ont été observées. La densité du plasma de fond s'est avérée être un facteur décisif pour la forte accélération :les électrons aux énergies ultra-relativistes n'ont été observés pour augmenter que lorsque la densité du plasma est tombée à des valeurs très faibles de seulement une dizaine de particules par centimètre cube, alors que normalement cette densité est cinq à dix fois plus élevée.

À l'aide d'un modèle numérique intégrant un tel épuisement extrême du plasma, les auteurs ont montré que les périodes de faible densité créent des conditions préférentielles pour l'accélération des électrons, de quelques centaines de milliers à plus de sept millions d'électrons-volts. Pour analyser les données des sondes Van Allen, les chercheurs ont utilisé des méthodes d'apprentissage automatique, dont le développement a été financé par le réseau GEO.X. Ils ont permis aux auteurs de déduire la densité plasmatique totale à partir des fluctuations mesurées du champ électrique et magnétique.

Le rôle crucial du plasma

"Cette étude montre que les électrons de la ceinture de rayonnement de la Terre peuvent être rapidement accélérés localement à des énergies ultra-relativistes, si les conditions de l'environnement du plasma - ondes plasma et densité de plasma temporairement faible - sont correctes. Les particules peuvent être considérées comme surfant sur des ondes plasma. Dans les régions de densité de plasma extrêmement faible, elles peuvent simplement prendre beaucoup d'énergie des ondes de plasma. Des mécanismes similaires peuvent être à l'œuvre dans les magnétosphères des planètes extérieures telles que Jupiter ou Saturne et dans d'autres objets astrophysiques, " dit Yuri Shprits, chef de la section GFZ Physique spatiale et météo spatiale et professeur à l'Université de Potsdam.

"Ainsi, atteindre des énergies aussi extrêmes, un processus d'accélération en deux étapes n'est pas nécessaire, aussi longtemps supposé - d'abord de la région externe de la magnétosphère dans la ceinture, puis à l'intérieur. Cela appuie également nos résultats de recherche de l'année dernière, " ajoute Hayley Allison, PostDoc dans la section Physique spatiale et météo spatiale.