LESIA - Observatoire de Paris

Solar Orbiter

lundi 22 février 2016, par Milan Maksimovic et Nicole Vilmer

Solar Orbiter est une mission de l’ESA qui permet de faire des progrès notables dans notre connaissance du Soleil et de l’Héliosphère interne en suivant simultanément les deux voies stratégiques suivantes :

  • Mesures in-situ dans le vent solaire à des distances jamais atteintes auparavant avec une instrumentation dédiée (périhélie minimum prévu de 0.28 unité astronomique, à savoir entre 60 rayons solaires de la surface) ;
  • Observations à distance du Soleil avec, entre autre, la meilleure résolution spatiale jamais atteinte (70 km/pixel).

Initialement proposée en 1998 dans le programme « Horizon 2000 + » de l’ESA, Solar Orbiter a finalement été sélectionnée le 4 Octobre 2011 par le Comité des Programmes Scientifiques (SPC) comme la première mission moyenne dans le cadre « Cosmic Vision » et ce pour un lancement en Mars 2017. Projet structurant d’un grand nombre de laboratoires de physique solaire et héliosphérique en Europe et au-delà, Solar Orbiter fédère l’ensemble des communautés SOHO et Ulysse dont elle regroupe les attentes scientifiques.

Vue d’artiste de la sonde Solar Orbiter

Objectifs scientifiques

Les objectifs scientifiques de Solar Orbiter couvrent un grand nombre des questions fondamentales de la physique du Soleil et de l’Héliosphère interne qui restent d’actualité. Ces questions sont :

  • comment le champ magnétique émerge-t-il de l’intérieur et quel est son impact sur l’atmosphère solaire ?
  • quels sont les mécanismes impliqués dans la formation de la couronne et du vent solaire ?
  • quels sont les processus physiques expliquant l’activité éruptive du soleil ?

En ce qui concerne le vent solaire, la couverture héliocentrique inédite permettra d’aborder les problèmes de transport d’énergie dans ce milieu faiblement collisionel. Plus particulièrement, Solar Orbiter abordera le problème du « chauffage » du vent solaire, dont l’écoulement, à mi-chemin entre une expansion adiabatique et une expansion isotherme, demeure inexpliqué.

Solar Orbiter permettra également d’étudier les éruptions solaires, épisodes de libération brutale d’énergie à la surface du Soleil, et les injections de particules énergétiques qui y sont associées. L’orbite de la sonde permettra des périodes d’observation en co-rotation quasi-synchrone avec le Soleil. Ceci fournira l’occasion, grâce au couplage instrumental entre mesures in-situ et télédétection, de séparer, pour la première fois, les phénomènes spatiaux des phénomènes temporels.

La trajectoire de Solar Orbiter : inclinaison de l’orbite par rapport à l’écliptique

Après une première phase d’environ 4 ans d’observations depuis le plan de l’écliptique, des phasages gravitationnels avec Vénus permettront à Solar Orbiter de sortir de ce plan et de procéder à des observations à hautes latitudes (jusqu’à environ 30°) du Soleil et du vent solaire. Cette phase de la mission sera propice à des mesures d’héliosismologie locale et d’observation des trous coronaux polaires, sources du vent solaire rapide.

L’instrument RPW

L’expérience Radio and Plasma Waves (RPW) a été proposée par un consortium international conduit par le LESIA (PI : M. Maksimovic, chef de projet : S. Chaintreuil) en réponse à l’appel à d’offre de l’ESA pour Solar Orbiter. Les objectifs de cet instrument, permettant à la fois des observations in-situ et de télédetection (émissions radio solaires), sont de mesurer, d’une part les ondes électriques depuis le continu jusqu’à 16 MHz et d’autre part les ondes magnétiques depuis quelques Hertz jusqu’à 500 kHz.

Les laboratoires impliqués dans le consortium RPW
LaboratoirePays
LESIA, Observatoire de Paris France
LPC2E, Orléans France
LPP, Polytechnique France
IRF, Uppsala & KTH, Stockholm Suède
IAP & Astronomical Institute, Prague République Tchèque
IWF, Graz Autriche
University of California Berkeley (*lien scientifique avec Solar Probe Plus) USA

Le design et les performances de l’expérience RPW permettront pour la première fois des mesures très précises des champs électriques basse fréquence dans l’héliosphère interne, dans le vent ambiant ou bien au travers des chocs interplanétaires. A plus haute fréquence, la spectroscopie de bruit thermique fournira des mesures précises des densités et températures électroniques.

Les objectifs spécifiques de RPW sont :

  • Champs électriques au travers de chocs et régions de reconnexion
  • Dissipation de la turbulence aux petites échelles
  • Rôle des instabilités électromagnétiques dans la régulation de l’anisotropie de température et du flux de chaleur
  • Emissions radio solaires

Personnels du LESIA potentiellement impliqués sur RPW

Equipe scientifique : M. Maksimovic (PI), O. Alexandrova, C. Briand, J.-L. Bougeret, B. Cecconi, K. Issautier, L. Klein, N. Meyer-Vernet, M. Moncuquet, F. Pantellini, N. Vilmer, A. Zaslavsky

Etudiants, Post-Docs : P. Henri, L. Lamy, G. Le Chat, L. Matteini

Equipe technique : S. Chaintreuil (Chef de projet), M. Dekkali (Ingénieur système), P.-L. Astier, G. Barbary, F. Chapron, Y. de Conchy, K. Boughedada, L. Gueguen, C. Guériau, I. Laglil, V. Leray, L. Malac-Allain, L. Mouysset, Q.-N. Nguyen, P. Plasson, D. Polizzi.

Pour plus d’information, voir la page Solar Orbiter de l’ESA.

L’instrument STIX

L’expérience Spectrometer/telescope for Imaging X-rays (STIX) a été proposée par un consortium international conduit par l’institut FHNW (Fachhochschule Nordwestschweiz) à Windish en Suisse (PI A.O. Benz puis S. Krucker) en réponse à l’appel d’offre de l’ESA pour Solar Orbiter. L’objectif de STIX est de fournir les diagnostics des particules (ici essentiellement des électrons) qui sont accélérées en liaison avec l’activité solaire et qui interagissent dans l’atmosphère solaire (essentiellement rayonnement de freinage des électrons dans le domaine des rayons X).

STIX est l’instrument de Solar Orbiter qui permet de faire le lien entre les mesures en imagerie de l’atmosphère solaire (diagnostics du champ magnétique, diagnostics UV EUV des régions actives éruptives) et les mesures in-situ (émissions radioélectriques des faisceaux d’électrons se propageant dans la haute atmosphère solaire et mesures directes par le satellite des électrons injectés dans le milieu interplanétaire).

STIX fournira des données de spectro-imagerie X des électrons thermiques et non-thermiques en interaction dans l’atmosphère solaire dans une bande d’énergie allant de 4 à 150 keV. La mesure du rayonnement X des électrons par STIX permet d’obtenir des informations cruciales pour les autres instruments de Solar Orbiter (en particulier RPW et EPD) sur le « timing » de l’accélération des faisceaux d’électrons au soleil, sur la localisation de cette accélération à la surface du soleil et sur l’intensité et le spectre des électrons accélérés. La proximité du soleil permet d’aborder les questions de connectivité magnétique entre la surface solaire et le milieu interplanétaire et d’accélération des particules en s’affranchissant en grande partie des problèmes de propagation dans le milieu interplanétaire.

Performances de STIX
Energy Range4 – 150 keV
Energy Resolution (FWHM) 1 keV @ 6 keV to 15 keV @ 150 keV
Effective area 6 cm2
Finest angular resolution 7 arcsec
Coarsest angular resolution 3 arcmin
Field of view for imaging
Image placement accuracy 4 arcsec
Time resolution (statistics limited) >0.1 s

La participation française implique le CEA (Co-I Olivier Limousin, Sacha Brun ) pour la fourniture de micro-détecteurs CALISTE et le LESIA (Co-I Nicole Vilmer) pour le segment sol (développement d’une interface d’accès aux données et de logiciel de traitement) et l’exploitation scientifique après lancement.

STIX contribue à 3 des questions fondamentales auxquelles Solar Orbiter doit apporter de nouvelles réponses : 1- Origine du champ magnétique héliosphérique et connectivité magnétique entre la région active et le milieu interplanétaire ? : 2- Quelles sont les sources, les mécanismes d’accélération et les processus de transport des particules énergétiques ? 3- Comment les transitoires solaires déterminent une variabilité héliosphérique ?

Personnels du LESIA impliqués sur STIX

Equipe scientifique et technique  : N. Vilmer (Co-I), G. Aulanier, K.L. Klein, E. Pariat, M. Maksimovic (lien RPW), N. Fuller (software)

Post-Doc : S. Masson, H. Reid

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