L’héliopause est la limite entre l’héliosphère (en brun) et l’espace interstellaire (en bleu foncé) © Nasa/Ibex/Adler Planetarium
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Voici la première carte 3D des frontières de l'héliosphère

ActualitéClassé sous :Astronomie , héliosphère , héliogaine

La forme de l'héliosphère, qui constitue la zone d'influence du soleil, avait été jusqu'ici modélisée de façon théorique. En s'inspirant de la technique du sonar, les scientifiques ont pu établir pour la première fois une carte en 3D issue de données satellite.

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[EN VIDÉO] Vidéo : l'héliosphère, l'étonnante bulle protectrice formée par le Soleil  Si, par-delà une certaine distance, le Soleil ne parvient plus réellement à réchauffer ou éclairer une planète, son influence n'en est pas moins perceptible bien au-delà de l'orbite de Neptune. Plusieurs critères peuvent aider à définir les frontières du Système solaire. L'un d'eux est l'étendue des vents solaires, des flux de particules chargées projetées par le Soleil et formant ensemble une bulle protectrice baptisée héliosphère. Prenant une forme de goutte allongée, l'héliosphère forme une barrière naturelle contre les radiations interstellaires, permettant ainsi à la vie de s'épanouir sur Terre. 

L'héliosphère peut se définir comme la « zone d'influence » du soleil, qui s'étend bien au-delà du système solaire lui-même. Elle est créée par les vents solaires, qui diffusent un flux principalement composé de protons, d'électrons et de particules alpha ; elle protège la Terre du rayonnement interstellaire nocif. Depuis des années, les chercheurs ont tenté de modéliser sa forme de façon théorique : certains l'ont d'abord décrite comme une sorte de comète, tandis que d'autres ont prédit une forme de « croissant dégonflé » (lire ci-dessous).

Aujourd'hui, des scientifiques du Los Alamos National Laboratory (Lanl) se vantent d'avoir pour la première fois cartographié les contours exacts de l'héliosphère, en utilisant des données réelles recueillies par le satellite Ibex (Interstellar Boundary Explorer) de la Nasa qui orbite autour de la Terre. Lancé en 2008, ce dernier étudie l'interaction entre le milieu interstellaire et les vents solaires aux confins du système solaire, une limite appelée héliopause.

Une technique semblable à celle du sonar

Ils ont pu mesurer le flux des atomes neutres énergétiques (Ena), des particules ionisées qui résultent de l'échange de charges entre le vent solaire et les atomes neutres du vent interstellaire. L'intensité de ce signal dépend de celle du vent solaire qui frappe l'héliogaine (là où les vents solaires sont ralentis par le milieu interstellaire). « Lorsqu'une vague frappe la gaine, le nombre d'atomes neutres énergétiques augmente et Ibex peut les détecter », détaille Dan Reisenfeld, principal auteur de l'étude publiée dans l'Astrophysical Journal. « Ce signal varie selon les cycles du soleil et forme un motif unique, décrit le chercheur. Ibex verra ce même schéma lors du signal retour, en fonction de l'intensité des atomes neutres énergétiques et de la direction ». Le décalage entre les deux courbes permet ainsi de cartographier une forme en 3 dimensions.

Visualisation en 3D de l’héliosphère. © Los Alamos National Laboratory

La technique s'apparente un peu à celle du sonar, compare Dan Reisenfeld. « Tout comme les chauves-souris envoient des impulsions d'ultrasons dans toutes les directions et utilisent le signal de retour pour créer une carte mentale de leur environnement, nous avons utilisé le vent solaire, qui s'étend dans toutes les directions, pour créer une carte de l'héliosphère ». Les données ont ensuite été divisées en 56 « macropixels » pour couvrir l'ensemble du ciel.

Le ciel a été divisé en 56 « macropixels » où la couleur représente le degré de confiance dans les distances de l’héliosphère. © Daniel Reisenfeld et al., Astrophysical Journal, 2021

120 unités astronomiques de large et 350 UA de long

Les chercheurs ont étudié les données d'un cycle solaire complet entre 2009 et 2019, mais il a fallu faire preuve de patience pour attendre le signal retour qui met entre deux et six ans à parvenir à Ibex en raison des énormes distances impliquées. La carte montre ainsi que l'héliosphère adopte une forme en « ballon de rugby », avec une distance minimale entre l'héliopause et le soleil d'environ 120 UA (soit environ 18 milliards de kilomètres) dans la direction face au vent interstellaire, et de 350 UA (52,5 milliards de kilomètres) dans la direction opposée. À titre de comparaison, la planète la plus éloignée du système solaire, Neptune, orbite à 60 UA du soleil. « Finalement, notre carte produit un résultat plus proche du modèle "comète" que du modèle "croissant", observent les auteurs dans leur conclusion. Mais, dans l'ensemble, elle correspond à peu près à ce que les modèles théoriques ont prédit ».

La mission Ibex est prévue pour durer jusqu'en 2025, et sera complétée par l'Interstellar Mapping and Acceleration Probe (Observatoire des relations Soleil-Terre - Imap), dont le lancement est prévu en 2024. « Les deux missions nous permettront d'étudier un deuxième cycle solaire, dans lequel nous venons d’entrer, et ainsi d'affiner encore notre carte », concluent les auteurs.

Pour en savoir plus

L'héliosphère, la bulle qui enveloppe le Système solaire, aurait une forme de « croissant dégonflé »

Article de Nathalie Mayer publié le 10/08/2020

Jusqu'à présent, les modèles définissant l'héliosphère supposaient qu'elle était façonnée par des particules chargées aux caractéristiques semblables. Mais des chercheurs avancent aujourd'hui une hypothèse différente. Avec pour résultat, une héliosphère présentant une forme étrange, comme un ballon de plage dégonflé.

Les planètes de notre Système solaire sont toutes prises dans une sorte de bulle protectrice que les astronomes appellent l'héliosphère. Elle est produite par l'interaction entre les particules provenant de l'extérieur de notre Système solaire et le vent solaire, ce flux de plasma éjecté par notre étoile à des vitesses supersoniques. Elle correspond ainsi en quelque sorte à la zone d'influence de notre Soleil. Cette bulle nous protège de l'espace interstellaire. Et s'ils ont un temps pensé que sa forme pourrait rappeler celle d'une comète - avec une sorte de tête d'un côté et de queue de l'autre - les chercheurs lui imaginent aujourd'hui une tout autre allure.

En 2015, les données recueillies par Voyager 1 - la mission de la Nasa, qui avait franchi la limite de l’héliosphère en août 2012 - avaient déjà battu en brèche l'idée de la forme de comète de notre héliosphère. Un nouveau modèle informatique avait alors suggéré que l'héliosphère pourrait plus ressembler à un croissant de Lune. En 2017, de nouvelles données avaient continué de semer le trouble. Celles renvoyées par la mission Cassini et qui orientaient plutôt vers une forme plus compacte et sphérique de ballon de plage.

Notre héliosphère ressemblerait à ça ! © Merav Opher et al., Université de Boston

Cette fois, les chercheurs de l'université de Boston (États-Unis) proposent un modèle qui pourrait réconcilier ces deux dernières visions de l'héliosphère. Ils avancent que notre bulle protectrice aurait une forme de ballon de plage dégonflé ou de croissant bulbeux.

Ici, l’image classique que l’on se fait de notre héliosphère avec une forme qui rappelle celle d’une comète. © Yapa, Wikipédia, Domaine public

Comme un croissant dégonflé

Ce qui différencie le nouveau modèle proposé des autres, c'est qu'il décompose les particules chargées qui circulent dans notre Système solaire en deux catégories : celles issues du vent solaire d'une part et celles qui ont pénétré la bulle de l'héliosphère sous une forme électriquement neutre d'autre part. Car New Horizons avait révélé que ces dernières peuvent atteindre des températures des milliers de fois supérieures à celles des particules du vent solaire. En modélisant séparément la température, la densité et la vitesse de ces deux groupes de particules, les chercheurs ont révélé leur influence démesurée sur la forme de l'héliosphère.

Illustration de la forme supposée jusqu'à présent de l'héliosphère du Système solaire. Cette bulle créée par le vent solaire nous protège des rayons cosmiques qui pleuvent de toutes les directions de l'Univers. © NASA’s Goddard Space Flight Center, Conceptual Image Lab

Ceci étant dit, ils précisent que la forme en question est à relativiser en fonction de la manière dont les limites de l'héliosphère sont définies. Un peu comme une image en niveau de gris que vous transformeriez en image en noir et blanc. Son rendu dépendrait fortement de la ligne de démarcation fixée entre le noir et le blanc.

Une mission interstellaire pour y voir plus clair

Les chercheurs estiment que seule une mission lancée à la périphérie de cette héliosphère pourrait désormais permettre de connaître avec une plus grande précision la forme de cette bulle. Seules les missions Voyager ont pour l'heure franchi cette limite. Et ils sont équipés d'instruments qui ont plus de 40 ans. En analysant les particules qui pénètrent notre héliosphère, une mission interstellaire plus récente pourrait aider à définir son rôle dans l'apparition de la vie sur Terre. Et peut-être sur d'autres planètes...


Structure de l'héliosphère : Stereo donne raison aux sondes Voyager

Aux confins du système solaire, les deux sondes Voyager ont mis en évidence une déformation de l'héliosphère. Les deux sondes jumelles du Solar Terrestrial Relations Observatory, ou Stereo, viennent de le confirmer, réalisant une sorte de sondage tirant parti d'un flux d'atomes neutres enregistré par leurs capteurs.

Article de Laurent Sacco paru le 04/07/2008

Une vue d'artiste des sondes de la mission Stereo. Crédit : Cnes

Ces dernières années, les sondes Voyager qui nous en avaient déjà tant appris sur notre système solaire, ont continué à enrichir la connaissance de l'humanité en rejoignant certaines des limites de l’héliosphère. On appelle ainsi cette sorte de bulle que le vent de particules produit par le Soleil crée au sein du milieu interstellaire. Sa limite extérieure, l'héliopause, se forme là où la puissance du vent solaire n'est plus suffisante pour repousser le milieu interstellaire, constitué des vents stellaires provenant des astres proches et des nuages d'hydrogène, d'hélium et de poussières.

Au bord de l'héliosphère se trouve une limite appelée choc terminal où le flux de particules de vent solaire, qui se comporte comme un fluide, subit, à cause du milieu interstellaire, une transition brutale des vitesses supersoniques à des valeurs subsoniques. La couche entre le choc terminal (termination shock en anglais) et l'héliopause a quant à elle reçu le nom de l'héliogaine (heliosheath en anglais).

Figure 1. Cliquez pour agrandir. Un schéma montrant les différentes composantes de l'héliosphère en rose au contact du milieu interstellaire en bleu. Crédit : Nasa

La distance au Soleil de l'héliogaine est d'environ 80 à 100 unités astronomiques (UA) à son point le plus proche. Apparemment, l'héliogaine a une forme de chevelure de comète, dans la direction opposée au mouvement du Soleil dans la Galaxie (figure 1). Son épaisseur est estimée à entre 10 et 100 UA.

En effet, comme certains s'y attendaient, mais ce fut tout de même une surprise, la forme de l'héliosphère n'est pas sphérique. Les sondes Voyager 1 et Voyager 2, après avoir traversé la zone du choc terminal, ont montré que l'héliopause se trouvait à différentes distances du Soleil (figure 2). Il semble que cette forme soit due aux lignes de champs magnétiques de la Voie Lactée qui sculptent le plasma de l'héliosphère, et probablement aussi au déplacement du Soleil dans la Galaxie.

Figure 2. Schéma montrant la structure de l'héliosphère, les positions des sondes Voyager et Stereo. Crédit : University of California, Berkeley; L. Wang

De façon inattendue, les deux sondes Stereo, lancées en 2006 pour obtenir des images stéréo de la surface du Soleil et pour mesurer les champs magnétiques et les flux d'ions associés à des explosions solaires, ont détecté de juin à octobre 2007 un flux d'atomes neutres énergétiques originaires de l'héliogaine. Cela a permis de donner du poids à certaines théories avancées pour expliquer des observations surprenantes faites par les sondes Voyager.

En effet, la température du plasma dans l'héliogaine était beaucoup plus froide que ce que l'on pensait car l'énergie dissipée par les particules du vent solaire ralentissant brutalement au niveau de la zone du choc terminal aurait dû la chauffer fortement. Où était donc passée l'énergie manquante ?

Une explication avancée est que les ions énergétiques manquants de l'héliogaine deviendraient neutres en échangeant leur charge avec les atomes neutres froids du milieu interstellaire. N'étant plus soumis aux champs magnétiques, ils reflueraient en direction du Soleil. Les énergies des atomes neutres détectés par les capteurs de Stereo semblent bel est bien permettre de rendre compte précisément du déficit détecté par les sondes Voyager. Un phénomène analogue est connu dans le système solaire au niveau des magnétosphères de Jupiter et de la Terre.

Un bilan sur ces questions liées à la structure de l'héliosphère découverte par les sondes Voyager vient d'être réalisé dans plusieurs articles publiés dans le numéro du 3 juillet de Nature.

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