LESIA - Observatoire de Paris

Solar Probe Plus : une nouvelle frontière

samedi 18 septembre 2010

(mise à jour le 6 octobre 2010)

La NASA vient de sélectionner les instruments scientifiques de Solar Probe Plus, première mission spatiale à pénétrer l’atmosphère du soleil. Parmi eux figure un récepteur radio proposé par le LESIA, dont les antennes électriques serviront de détecteurs géants d’électrons et de poussières, grâce à une méthode originale de mesure initiée et développée à l’Observatoire de Paris, avec le soutien du CNRS et du CNES.

Les astronomes en rêvaient depuis le début de la conquête spatiale : explorer in situ la couronne du soleil. Source du vent solaire, ce plasma d’électrons et de protons baigne le système solaire et son interaction avec notre planète gouverne la métérologie de l’espace et nous offre les aurores polaires. Nous avons exploré le système solaire jusqu’à sa frontière externe à plus de dix milliards de kilomètres. Mais jamais la région interne, à intérieur de l’orbite de Mercure, et les astrophysiciens cherchent depuis des décennies la réponse à deux questions majeures (Figure 1) : comment la température de la couronne peut-elle atteindre plus d’un million de degrés, alors que la surface visible du soleil n’atteint pas 6000°C ? Et comment le plasma du vent solaire est-il accéléré jusqu’à des vitesses supersoniques de près de 1000 kilomètres par seconde ? Ces questions concernent aussi de nombreuses étoiles qui possèdent une couronne chaude et un vent. Elles impliquent un problème fondamental de physique des plasmas encore non résolu : comment est transportée l’énergie dans ces milieux turbulents si éloignés de l’équilibre thermodynamique local ?

Figure 1
Figure 1

La couronne et le vent solaire qui s’en échappe, vus par un coronographe de l’instrument SECCHI sur une sonde STEREO. L’image est formée par la lumière solaire diffusée par les électrons de la couronne et du vent solaire, avec un cache (cercle bleu) qui masque la lumière du Soleil.
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La sonde Solar Probe Plus (Figure 2), qui devrait être lancée en 2018, ne sera pas plus grosse qu’une petite voiture et devra supporter des rayonnements intenses et des températures de plus de 1000° C. Elle portera un bouclier thermique de nouvelle génération pour protéger ses instruments pendant les passages près du soleil, à seulement 6,5 millions de kilomètres - moins de 10 rayons solaires.

Figure 2
Figure 2

La sonde Solar Probe Plus (JHU/APL). Sur cette vue d’artiste, les panneaux solaires sont repliés, comme ce sera le cas lors des approches du soleil.
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La sonde portera quatre suites d’instruments, dont le consortium FIELDS, mené par le laboratoire spatial de l’Université de Califormie, qui vient d’être sélectionné au terme d’une compétition très rude impliquant treize propositions. Cette expérience mesurera les champs électriques et magnétiques en utilisant des récepteurs qui devront être fabriqués respectivement au LESIA et au LPC2E [1] (avec le soutien du CNES), pour étudier in situ les électrons de la couronne solaire, les émissions radio, les ondes de plasma, les ondes de choc et la turbulence, ainsi que les grains de poussière.

La sélection de l’instrument du LESIA est le fruit d’un travail théorique et instrumental de longue haleine mené par des scientifiques de l’Observatoire de Paris avec le soutien du CNRS et du CNES, pour transformer des antennes électriques munies d’un récepteur radio ultrasensible en détecteurs géants d’électrons et de poussières. Ceci a impliqué une étroite collaboration entre scientifiques et ingénieurs, et les développements théoriques et instrumentaux ont donné lieu à sept thèses de doctorat. Le principe est simple et a été testé sur de nombreuses missions spatiales dans divers environnements du système solaire. L’agitation thermique des électrons au voisinage des antennes induit des champs électriques qui sont détectés par le récepteur radio, et dont la spectroscopie révèle les propriétés de base des électrons, commeleur concentration et leur température. Le récepteur radio détecte aussi les poussières qui impactent la sonde en créant des microcratères dont la matière s’ionise et produit des impulsions électriques (Figure 3).

Figure 3
Figure 3

Schéma d’un nuage de plasma en expansion produit par l’impact d’une poussière sur une sonde STEREO, dont l’analyse a permis récemment la découverte de nanopoussières accélérées par le vent solaire. Cette étude, dont les applications permettront de mettre au point l’instrument sur Solar Probe Plus, est financée en partie par un contrat Emergence UPMC.
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L’instrument du LESIA est largement inspiré de ceux développés pour les missions Bepi-Colombo et Solar Orbiter. Le consortium FIELDS sur Solar Probe Plus (P.I. : S. D. Bale, Université de Californie) est une suite intégrée d’instruments de mesure des ondes développés à l’Université de Californie (Berkeley, USA), l’Université du Colorado (USA), l’Université du Minnesota (USA), la NASA//GSFC (USA), le LESIA et le LPC2E (Orléans, France).

Solar Probe Plus portera aussi un télescope (NRL, USA) qui fera des images à haute résolution de la couronne, ainsi que des détecteurs de particules (SAO, Cambridge, USA) et ions énergétiques (SRI, San Antonio, USA).

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Notes

[1Observatoire des Sciences de l’Univers en région Centre, Université d’Orléans