10 Juin 2014

Article STEREO

Des nanoparticules détectées par STEREO

Une nouvelle population de poussières vient d'être découverte dans le milieu interstellaire : des nanoparticules, accélérées à plusieurs centaines de kilomètres par seconde par le champ magnétique transporté par le vent solaire. Il s'agit d'une retombée inattendue de l'expérience "ondes" S/WAVES à bord des sondes STEREO, en orbite auour du Soleil. Cette expérience utile un récepteur radio fabriqué au Laboratoire d'Etudes Spatiales et d'Instrumentation en Astrophysique (Observatoire de Paris/ LESIA).

Interview des chercheurs

Nicole Meyer-Vernet, une équipe internationale, conduite par vous et le LESIA a découvert une nouvelle population de poussières dans le milieu interplanétaire, quelle est la particularité de ces poussières ?

Nicole Meyer-Vernet
Nicole Meyer-Vernet du LESIA

Ce sont des nanoparticules. Leur taille est comprise entre 1 et 100 nanomètres. Un nanomètre est un milliardième de mètre, soit environ un millionième de fois plus petit qu'une tête d'épingle. Ces nanoparticules sont à la frontière entre les structures atomiques et les objets macroscopiques. Leur petite taille leur confère des propriétés particulières par rapport à celles des matériaux macroscopiques. Elles sont difficiles à détecter dans l'espace car elles sont hors du domaine de calibration des détecteurs de poussières conventionnels.

Si elles viennent d'être détectées pour la première fois dans le milieu interplanétaire à 1 UA du Soleil (environ 150 millions de kilomètres), c'est à cause de leur très grande vitesse : de l'ordre de 300 kilomètres par seconde, soit environ la vitesse du vent solaire et 10 fois plus que la vitesse typique des micropoussières à cette distance du Soleil.

Quelle est l'origine de cette vitesse ?

Sous l'effet du rayonnement solaire, les poussières tendent à éjecter beaucoup plus d'électrons qu'elles ne collectent de charges du plasma ambiant. Elles se chargent donc électriquement et sont alors soumises à la force électromagnétique due au champ magnétique transporté par le vent solaire. Pour les nanoparticules, cette force électromagnétique est très supérieure à l'attraction gravitationnelle du Soleil et aux autres forces comme la pression de radiation. Le rapport charge-sur-masse des nanoparticules, qui détermine l'importance des forces électromagnétiques par rapport aux forces gravitationnelles, n'est pas aussi grand que celui des ions atomiques, mais il est suffisant pour que les nanoparticules aient une fréquence de Larmor très supérieure à leur fréquence orbitale autour du Soleil. Elles tendent donc à tourner autour des lignes de force du champ magnétique transporté par le vent solaire, ce qui les accélère à des vitesses de plusieurs centaines de kilomètres par seconde.

Pouvez-vous expliquer la méthode utilisée pour détecter ces grains de poussière ?

Lorsqu'une poussière percute une sonde spatiale à la vitesse de plusieurs centaines de kilomètres par seconde, elle crée un microcratère dont la matière se vaporise et s'ionise, produisant un nuage de plasma en expansion. Ces nuages de plasma induisent des impulsions de champ électrique. Un récepteur radio placé aux bornes des antennes électriques de l'expérience S/WAVES détecte ces impulsions. Comme la quantité de plasma créé augmente très vite avec la vitesse d'impact, la puissance détectée est aussi importante que pour des poussières beaucoup plus grosses mais plus lentes.

Schéma du nuage de plasma en expansion produit par une nano poussière impactant la sonde STEREO
Schéma du nuage de plasma en expansion produit par une nano poussière impactant la sonde STEREO A à plusieurs centaines de kilomètres par seconde.

p>Cette méthode est complémentaire des détecteurs de poussières classiques car la surface de détection est beaucoup plus importante (c'est généralement celle de la sonde spatiale elle-même), et elle ne nécessite en général pas d'orientation particulière pour la détection. C'est cette méthode qui a fourni le premier diagnostic in situ des anneaux de poussières des planètes Saturne, Uranus et Neptune à bord des sondes Voyager.

Ce flux rapide de nano particules peut-il avoir un impact négatif sur des satellites en orbite ?

Cette découverte est trop récente pour qu'il soit possible de répondre avec certitude à la question. Des nanoparticules semblent avoir été observées dans l'environnement terrestre proche par la station spatiale internationale, mais leur effet est probablement trop faible pour présenter un danger pour les surfaces, bien que la production de décharges électriques ne soit pas à exclure.

J.L. Bougeret, pouvez-vous nous rappeler ce qu'est la mission STEREO et quel est le rôle de l'instrument WAVES ?

Jean-Louis BOUGERET
Jean-Louis BOUGERET du LESIA, principal investigator de S/WAVES

La mission STEREO fait partie du programme scientifique international de l'étude des relations Soleil-Terre STP (Solar Terrestrial Probes Program). C'est un ensemble de deux satellites de la NASA dont les instruments ont été conçus et réalisés par des scientifiques américains et européens. Elle a été lancée le 26 octobre 2006.

Elle a pour but de fournir des informations originales sur les éruptions solaires et leurs effets sur l'environnement terrestre. Afin d'obtenir des images stéréoscopiques des éruptions, un satellite précède la Terre dans sa rotation autour du Soleil, et l'autre la suit. Les images obtenues par les satellites sont combinées avec les données "in situ", ainsi qu'avec des données d'observatoires au sol et de satellites en orbite basse, pour suivre en 3 dimensions le stockage d'énergie magnétique, l'éjection puis la trajectoire de la matière coronale dans le milieu interplanétaire.