3 Mai 2013

Accélérations de particules solaires

Sur Saturne, les aurores polaires peuvent être spectaculaires. Tout comme sur Terre, elles résultent de la collision de particules solaires avec des molécules, celles de l'ionosphère. Mais d'autres particules solaires circulent au voisinage des planètes. Le micro-satellite Demeter a permis d'en apprendre davantage sur leur séjour dans les ceintures de radiation de la Terre.
Crédits : NASA/JPL/University of Arizona.

Un flot de particules chargées (électrons, protons, ions lourds) est continuellement émis par le Soleil. Formant le « vent solaire », ces particules sont à plus de 90% déviées par les champs magnétiques propres des planètes (la Terre, Jupiter, Saturne). Dans le cas de la Terre, certaines passent toutefois à travers ce bouclier protecteur, en particulier au niveau des zones polaires . Rentrant dans l'atmosphère, elles percutent alors les particules partiellement ionisées de l'ionosphère, produisant une lueur diffuse, l'aurore polaire.

Mais ces particules solaires ne sont pas les seules à passer le bouclier magnétique des planètes. D'autres atteignent les ceintures de radiations, appelées sur Terre ceintures de Van Allen et situées entre 700 et 30 000 km d'altitude. Piégées sur des lignes invisibles de champ magnétique, les particules font alors des aller-retours, à grande vitesse, d'un point dit « miroir » à un autre, rebondissant dès lors qu'elles s'approchent trop de la surface – l'intensité du champ magnétique ayant des valeurs plus importantes. Une autre région  intéressante du point de vue du magnétisme terrestre est celle située au dessus de l'Atlantique sud, au l’intensité du champ géomagnétique est la plus faible. Certains satellites tournant à basse altitude traversent régulièrement cette zone. C'était le cas de Demeter, un micro-satellite de 125 kg qui a tourné à 710 km d'altitude entre 2004 et 2011.

6 fois par jour, Demeter plongeait au milieu de cet environnement magnétique spécifique, l'anomalie de l'Atlantique sud. L'un de ses instruments était alors capable de mesurer, de manière très fine, les énergies des particules qu'il croisait sur son passage. Ces mesures ont permis de montrer que les particules solaires de haute énergie des ceintures de radiations sont accélérées par des ondes lors de l’arrivée au voisinage de la Terre de matériel solaire plus dense et plus rapide, appelée orage magnétique.

« Dans 60% des cas des traversées de l’anomalie pendant les orages magnétiques, nous avons observé une accélération cohérente, en quelques dizaines de minutes, des électrons et des protons de haute énergie des ceintures de radiation. Pour que cette accélération se réalise, les particules doivent être en résonance avec les ondes électromagnétiques à ultra basse fréquence générées par ces orages magnétiques. Ce mécanisme est très efficace pour accélérer et transporter vers la Terre les particules et ainsi vider à long terme les ceintures » explique Jean-André Sauvaud de l'Institut de recherche en astrophysique et planétologie de Toulouse, co-auteur de ces résultats publiés en avril dans Journal of Geophysical Research. Et d'ajouter : « Ce mécanisme n’avait pas été mis en évidence auparavant car les détecteurs de particules usuels étaient conçus pour étudier les variations du flux dans de larges bandes d'énergie où les structures étaient enfouies. Demeter était lui capable de fournir des mesures précises pour plus de 200 valeurs d’énergie différentes. » Demeter a ainsi contribué à répondre à la question : comment les ceintures sont-elles peuplées et combien de temps les particules solaires restent-elles dans les ceintures de radiation ? Une durée estimée par certains à 1 siècle. Aux 2 satellites américains Radiation Belt Storm Probes (RSBP), lancés en 2012, de continuer la quête.

Légende image principale : montage photo d'une aurore sur le pôle Nord de Saturne. Ces photos ont été prises en lumière infrarouge sur deux longueurs d'onde différentes par la sonde Cassini de la NASA (le 10 novembre 2006 pour les images de l'aurore et le 15 juin 2008 pour les images de l'atmosphère).

Pour en savoir plus :