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Vers une explication de l'accélération supersonique du vent solaire ?

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Après plus de quatre décennies de la confirmation de l'existence du vent solaire par les mesures de la sonde Mariner 2, son accélération à des vitesses supersoniques de l'ordre de 700-800 km/s reste incomprise. La théorie classique de Parker, basée sur la conduction thermique, fournit une vitesse trop faible, ce qui a conduit la quasi-totalité des théories à chercher une forme d'énergie supplémentaire pour cette accélération. Une équipe d'astronomes du LESIA à l'Observatoire de Paris a élaboré une théorie alternative basée sur le rôle des électrons qui sont loin de l'équilibre thermodynamique et qui seraient le moteur principal de cette accélération. Cette approche explique pour la première fois le vent solaire rapide sans hypothèse d'énergie supplémentaire.

Vue d'artiste de la future sonde solaire (Solar Probe) à son périhélie de 4 rayons solaires

L'éjection du vent solaire est un problème astrophysique important, étant l'exemple le plus accessible d'éjection de matière par un objet cosmique. La plupart des modèles d'accélération du vent solaire sont une généralisation du modèle classique hydrodynamique de Parker dans lequel la vitesse terminale est directement liée à l'énergie thermique disponible dans la couronne solaire. Toutefois, au vu des contraintes observationelles sur la température coronale (~106 K), ce modèle ne permet pas d'expliquer le vent rapide (vitesses de l'ordre de 700-800km/s).

La difficulté théorique vient du fait que le milieu est faiblement collisionnel, un domaine de la physique des plasmas encore mal connu. Or, les modèles hydrodynamiques sont basés sur l'équilibre thermodynamique local, ce qui est loin d'être vrai pour les électrons du vent solaire. En effet, les fonctions de distribution des vitesses des électrons mesurées in situ ne sont pas maxwelliennes, mais présentent un excès d'électrons suprathermiques.

Ces électrons jouent un rôle primordial pour l'accélération du vent dans une approche théorique récemment élaborée par Iannis Zouganelis et collaborateurs qui a permis d'obtenir pour la première fois des vitesses de vent aussi élevées que celles observées. Il s'agit d'une modélisation cinétique d'un milieu hors équilibre thermodynamique qui permet de reproduire des profils de vitesse transsoniques, sans faire appel à un apport ad hoc d'énergie.

Ces résultats viennent d'être confirmés par des simulations cinétiques indépendantes qui tiennent compte des collisions Coulombiennes entre les particules. Ce travail a également unifié des approches théoriques précédentes qui étaient valables uniquement dans des cas de conditions initiales particulières. Cette généralisation permet d'inclure des cas autres que le vent solaire, par exemple des vents stellaires de type solaire où la couronne de l'étoile « exploserait » et le vent serait supersonique dès son départ.

La théorie ne pourrait être confirmée que par des mesures in situ dans la couronne très près du Soleil puisque l'essentiel de l'accélération devrait avoir lieu à une distance inférieure à 10 rayons solaires. L'existence de fonctions de distribution non maxwelliennes dans la couronne ainsi que leur origine seront éventuellement dévoilées par la future mission « Solar Probe » qui devrait visiter la couronne avec un périhélie de 4 rayons solaires. Cette mission est prévue pour l'horizon 2015-2020 et les astronomes français participent activement à sa définition.

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