Astronomie

Pourquoi la sonde solaire Parker ralentit-elle à mesure que la distance au Soleil augmente ?

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Pourquoi la sonde solaire Parker ralentit-elle à mesure que la distance au Soleil augmente ?


Crédit image : utilisateur de Wikipedia Phoenix777, CC BY-SA 4.0


Pourquoi la « sonde solaire Parker » perd-elle de la vitesse à mesure que la distance au soleil augmente ?

Parce que l'énergie et le moment angulaire sont des quantités conservées individuellement dans le problème à deux corps. À l'exception des endroits où la sonde spatiale Parker a des survols rapprochés avec Vénus, les interactions gravitationnelles entre la sonde spatiale Parker et le système solaire sont très étroitement modélisées comme un problème à deux corps (le Soleil et la sonde), plus de très petites perturbations du planètes.

Une façon d'exprimer la conservation de l'énergie dans le problème à deux corps est l'équation vis-viva, $$v^2 = muleft(frac2r - frac1a ight)$$

  • $mu = G(M+m)$ est la somme du paramètre gravitationnel standard du corps central et de celui du corps en orbite,
  • $r$ est la distance entre les deux corps,
  • $a$ est la longueur du demi-grand axe (une constante), et
  • $v$ est la grandeur du vecteur vitesse.

Notez que la masse de la sonde spatiale Parker est tellement inférieure à celle du soleil que l'on peut faire tomber la masse de la sonde spatiale Parker de l'expression $mu = G(M+m)$, résultant en $mu = GM_{ ext{soleil}}$.

Notez que la seule variable sur le côté droit de l'équation vis-viva est la distance radiale. Au fur et à mesure que la distance radiale augmente, l'amplitude carrée du vecteur vitesse (et donc l'amplitude du vecteur vitesse) diminue.

Sans mathématiques, la conservation de l'énergie dicte que la somme de l'énergie cinétique et de l'énergie potentielle gravitationnelle d'un corps en orbite doit rester constante. Au fur et à mesure que le corps en orbite s'éloigne du corps central, l'énergie potentielle du corps en orbite augmente, ce qui signifie que son énergie cinétique doit diminuer en conséquence. Cela signifie à son tour que la vitesse du corps en orbite doit diminuer.


Tout simplement, la gravité du soleil tire sur la sonde spatiale à tout moment. Lorsque la sonde s'éloigne du soleil, la force de gravité la ramène vers l'intérieur, la ralentissant. Alors que la sonde se déplace vers le soleil, la force de gravité continue de tirer, l'accélérant. Tout objet en orbite autour du soleil est toujours accélération vers le soleil - lorsque cette accélération s'oppose au mouvement, l'objet ralentit, et lorsqu'il est dans la même direction que le mouvement, l'objet accélère.

Ce n'est pas différent de lancer une balle en l'air et de la voir ralentir lorsqu'elle monte, inverser la direction, puis accélérer à nouveau lorsqu'elle tombe, sauf que le principal corps gravitationnel dans ce cas est la terre et non le soleil.


L'explication la plus simple est que le satellite obéit généralement à la deuxième loi de la mécanique orbitale de Kepler :

Une ligne joignant une planète et le Soleil balaie des zones égales pendant des intervalles de temps égaux

Lorsque le satellite est plus éloigné du soleil, la zone balayée ne reste constante que parce que le satellite se déplace plus lentement.

La réponse physique, comme d'autres l'ont souligné, est que le satellite échange de l'énergie cinétique contre de l'énergie potentielle gravitationnelle lorsqu'il voyage « vers le haut » de la gravité du Soleil. Ce n'est pas différent de ralentir progressivement lorsque vous gravissez une colline sur votre vélo (même si vous montez la gravité de la Terre, pas celle du Soleil).


Le vent solaire ralentit plus loin du Soleil

Les mesures prises par l'instrument Solar Wind Around Pluto (SWAP) à bord du vaisseau spatial New Horizons de la NASA fournissent de nouvelles informations importantes sur certaines des régions les plus éloignées de l'espace jamais explorées. Dans un article récemment publié dans le Journal d'astrophysique, une équipe dirigée par le Southwest Research Institute montre comment le vent solaire - le flux supersonique de particules chargées soufflées par le Soleil - évolue à des distances croissantes du Soleil.

"Auparavant, seules les missions Pioneer 10 et 11 et Voyager 1 et 2 avaient exploré le système solaire externe et l'héliosphère externe, mais maintenant New Horizons le fait avec des instruments scientifiques plus modernes", a déclaré le Dr Heather Elliott, scientifique au SwRI. , chercheur principal adjoint de l'instrument SWAP et auteur principal de l'article. "L'influence de notre Soleil sur l'environnement spatial s'étend bien au-delà des planètes extérieures, et SWAP nous montre de nouveaux aspects de la façon dont cet environnement change avec la distance."

Le vent solaire remplit une région de l'espace semblable à une bulle englobant notre système solaire, appelée l'héliosphère. À bord de New Horizons, SWAP collecte des mesures quotidiennes détaillées du vent solaire ainsi que d'autres composants clés appelés "ions de captage interstellaire" dans l'héliosphère externe. Ces ions de captage interstellaires sont créés lorsqu'un matériau neutre de l'espace interstellaire pénètre dans le système solaire et devient ionisé par la lumière du Soleil ou par des interactions d'échange de charge avec les ions du vent solaire.

À mesure que le vent solaire s'éloigne du Soleil, il rencontre une quantité croissante de matière provenant de l'espace interstellaire. Lorsque le matériau interstellaire est ionisé, le vent solaire capte le matériau et, selon la théorie des chercheurs, ralentit et chauffe en réponse. SWAP a maintenant détecté et confirmé cet effet prévu.

L'équipe SWAP a comparé les mesures de la vitesse du vent solaire de New Horizons de 21 à 42 unités astronomiques aux vitesses à 1 UA du vaisseau spatial Advanced Composition Explorer (ACE) et du vaisseau spatial Solar TErrestrial RElations Observatory (STEREO). (Une UA est égale à la distance entre le Soleil et la Terre.) À 21 UA, il est apparu que SWAP pourrait détecter le ralentissement du vent solaire en réponse à la collecte de matière interstellaire. Cependant, lorsque New Horizons a voyagé au-delà de Pluton, entre 33 et 42 UA, le vent solaire a mesuré 6 à 7 % plus lentement qu'à la distance de 1 UA, confirmant l'effet.

En plus de confirmer le ralentissement du vent solaire à grande distance, le changement de température et de densité du vent solaire pourrait également fournir un moyen d'estimer quand New Horizons rejoindra le vaisseau spatial Voyager de l'autre côté du choc de terminaison, le où le vent solaire ralentit à une vitesse inférieure à la vitesse du son à l'approche du milieu interstellaire. Voyager 1 a franchi le choc de terminaison en 2004 à 94 UA, suivi de Voyager 2 en 2007 à 84 UA. Sur la base des niveaux inférieurs actuels d'activité solaire et de pressions éoliennes solaires plus faibles, le choc de terminaison devrait s'être rapproché du Soleil depuis les traversées de Voyager. L'extrapolation des tendances actuelles dans les mesures de New Horizons indique également que le choc de terminaison pourrait maintenant être plus proche que lorsqu'il a été recoupé par Voyager. Au plus tôt, New Horizons atteindra le choc de la résiliation au milieu des années 2020. À mesure que l'activité du cycle solaire augmente, l'augmentation de la pression augmentera probablement l'héliosphère. Cela pourrait pousser le choc de terminaison à la plage 84-94 UA trouvée par le vaisseau spatial Voyager avant que New Horizons n'ait le temps d'atteindre le choc de terminaison.

Le voyage de New Horizons à travers l'héliosphère externe contraste avec celui de Voyager en ce que le cycle solaire actuel est doux par rapport au cycle solaire très actif que Voyager a connu dans l'héliosphère externe. En plus de mesurer le vent solaire, le SWAP de New Horizons est extrêmement sensible et mesure simultanément les faibles flux d'ions de captage interstellaires avec une résolution temporelle sans précédent et une couverture spatiale étendue. New Horizons est également le seul vaisseau spatial dans le vent solaire au-delà de Mars (1,5 UA) et, par conséquent, le seul vaisseau spatial mesurant les interactions entre le vent solaire et la matière interstellaire dans l'héliosphère externe pendant le cycle solaire doux actuel. New Horizons est en passe d'être le premier vaisseau spatial à mesurer à la fois le vent solaire et les ions de captage interstellaire au moment du choc de terminaison.

"New Horizons a considérablement avancé notre connaissance des objets planétaires distants, et il est tout à fait approprié qu'il révèle maintenant également de nouvelles connaissances sur notre propre Soleil et son héliosphère", a déclaré le chercheur principal de New Horizons, le Dr Alan Stern du SwRI.


Faits en bref : sonde solaire Parker (PSP)

Une impression d'artiste représente le vaisseau spatial Parker Solar Probe, entièrement déployé en configuration de croisière, avec les antennes de champ électrique FIELDS disposées le long du plan du bouclier thermique du vaisseau spatial. (Avec l'aimable autorisation de la NASA/JHUAPL)

Présentation de la mission

Le 31 mai 2017, la NASA a annoncé qu'elle avait renommé le vaisseau spatial Solar Probe Plus en Parker Solar Probe, en l'honneur de l'astrophysicien Eugene Parker. L'annonce a été faite lors d'une cérémonie à l'Université de Chicago, où Parker est professeur émérite du service distingué S. Chandrasekhar, département d'astronomie et d'astrophysique.

La sonde solaire Parker (PSP) est une mission passionnante d'exploration et de découverte, un voyage vers le Soleil lui-même. En volant dans l'atmosphère extérieure du Soleil, appelée couronne, la sonde solaire Parker recueillera des données sur les processus qui chauffent la couronne et accélèrent le vent solaire, résolvant deux mystères fondamentaux qui ont été des objectifs scientifiques prioritaires pendant de nombreuses décennies. Cette mission transformera notre compréhension du Soleil et des étoiles semblables au Soleil, permettant une exploration plus poussée à travers notre propre système solaire.

La sonde solaire Parker étudiera les flux de particules chargées que le Soleil projette dans l'espace à partir d'un point de vue où se produisent réellement les processus qui chauffent la couronne et produisent le vent solaire. À l'approche la plus proche, le vaisseau spatial passera devant le Soleil à 125 miles par seconde, protégé par un bouclier thermique en composite de carbone qui doit résister jusqu'à 2 600 degrés Fahrenheit et survivre aux explosions de rayonnement et de poussière sous tension à des niveaux jamais rencontrés par aucun vaisseau spatial précédent.

Les objectifs scientifiques de Parker Solar Probe relèvent de deux thèmes principaux :

  • Chauffage coronal et accélération du vent solaire
  • Production, évolution et transport de particules énergétiques solaires

Pour atteindre ces objectifs, la sonde solaire Parker se déplacera plus près du Soleil que tout autre vaisseau spatial et explorera la région la plus interne de notre système solaire. Avec les données qu'il transmet à la Terre, les physiciens du soleil et de l'espace répondront à des questions auxquelles aucun autre moyen ne peut répondre et atteindront une compréhension approfondie des phénomènes et des processus dans cette région fascinante et critique. Et comme pour tout grand voyage dans des royaumes inexplorés, le voyage de la sonde solaire Parker vers le Soleil est la promesse de nombreuses autres découvertes imprévues – de nouveaux mystères pour défier la connaissance toujours croissante de l'humanité de notre foyer dans l'univers.

Objectifs scientifiques :
La sonde solaire Parker explorera l'une des dernières régions du système solaire intérieur à être visitée par un vaisseau spatial, l'atmosphère extérieure du Soleil où elle s'étend dans l'espace. À 3,7 millions de kilomètres au-dessus de la surface du Soleil, la sonde solaire Parker échantillonnera à plusieurs reprises l'environnement proche du Soleil, révolutionnant notre connaissance et notre compréhension du chauffage coronal ainsi que de l'origine et de l'évolution du vent solaire. Les données nous aideront également à répondre aux questions critiques d'héliophysique qui ont intrigué les scientifiques pendant des décennies. En effectuant des mesures directes in situ de la région où certaines des particules énergétiques solaires les plus dangereuses sont énergisées, la sonde solaire Parker apportera une contribution fondamentale à notre capacité à caractériser et à prévoir l'environnement radiatif dans lequel les futurs explorateurs de l'espace travailleront et habitent.

Objectifs de la mission :
La Parker Solar Probe a quatre priorités scientifiques :

  • Déterminer la structure et la dynamique des champs magnétiques aux sources du vent solaire rapide et lent
  • Trace le flux d'énergie qui chauffe la couronne et accélère le vent solaire
  • Déterminer quels mécanismes accélèrent et transportent les particules énergétiques
  • Explorez les phénomènes de plasma poussiéreux près du Soleil et son influence sur le vent solaire et la formation de particules énergétiques

Les objectifs scientifiques de Parker Solar Probe seront abordés grâce à une combinaison d'observations in situ et de télédétection effectuées à partir d'une orbite légèrement au-dessus du plan de l'écliptique - la "ligne" sur laquelle la plupart des planètes orbitent autour du Soleil - et de plus en plus près distances au Soleil. Le vaisseau spatial atteindra sa distance la plus proche – à peine 8,5 fois le rayon du Soleil – environ 6 ans et demi après son lancement.

Rôles LASP

  • Le Digital Fields Board (DFB) pour l'expérience PSP Fields
  • Co-chercheurs de PSP Fields Experiment, Robert Ergun et David Malaspina

Instruments LASP

L'expérience PSP Fields effectuera des mesures directes des champs électriques et magnétiques, des émissions radio et des ondes de choc qui traversent le plasma atmosphérique du Soleil. L'expérience sert également de détecteur de poussière géant, enregistrant les signatures de tension lorsque des particules de poussière spatiale frappent n'importe où sur la surface exposée du vaisseau spatial.

Le DFB traitera les données du champ électrique et les données du magnétomètre de la bobine de recherche jusqu'à 64 kHz. La carte fournira un filtrage analogique et numérique de ces signaux, numérisera ces signaux de champ électrique et magnétique, effectuera des calculs spectraux et spectraux croisés et agira comme un détecteur de poussière en comptant les pics de tension.

Faits rapides

Date de lancement : 12 août 2018
Lieu de lancement : Cap Canaveral Air Force Station, Floride
Lanceur : Delta IV Heavy
Objectif de la mission : la couronne solaire
Autres organisations impliquées :

  • Laboratoire de physique appliquée de l'Université Johns Hopkins
  • Université de Californie, Berkeley,
  • Université du Minnesota
  • Centre de vol spatial Goddard de la NASA
  • Observatoire de Paris

Cliquez sur l'image pour afficher un PDF (305 Ko) de la FAQ Parker Solar Probe.


La vitesse à l'aphélie diminue pour Parker Solar Probe à chaque nouvelle orbite malgré la proximité du Soleil

Je regarde quelques données de la mission Parker Solar Probe et je regardais les vitesses de la PSP au périhélie et à l'aphélie à chaque nouvelle orbite différente (les orbites causées par une assistance gravitationnelle dont il y en a 8) et j'ai trouvé quelque chose que je ne peux pas expliquer. Premièrement, les vitesses au périhélie augmentent après chaque orbite, ce qui est logique car la PSP se rapproche de plus en plus du Soleil (illustré sur l'image v3>v2>v1). Ensuite, j'ai remarqué que les vitesses à l'aphélie diminuent en fait après chaque nouvelle orbite (v6>v5>v4), ce que je ne comprends pas car les positions des aphélies se rapprochent également de plus en plus du Soleil. Je pensais que la seule façon de diminuer ces vitesses serait l'assistance par gravité. Si tel est le cas, je ne comprends toujours pas pourquoi ces vitesses diminueraient puisque l'assistance Venus devrait devenir moins efficace à mesure que la PSP devient plus rapide (pas plus efficace, ce qui est suggéré par le fait que les vitesses diminuent à chaque nouvelle orbite) . En fait, l'assistance ne devrait pas seulement devenir légèrement plus efficace, mais un peu plus efficace afin non seulement de diminuer la vitesse plus que l'orbite précédente, mais le faire avec la PSP se déplaçant beaucoup plus rapidement qu'avant (chaque nouvelle orbite est plus proche du Soleil). Autant que je sache, les facteurs qui affectent l'amplitude du delta-v d'une assistance gravitationnelle sont la vitesse excessive hyperbolique (où, généralement, une vitesse plus basse est plus souhaitable), l'altitude du périapse (qui reste assez constante pour chaque assistance gravitationnelle - il sont quelques valeurs aberrantes mais je ne vois aucune tendance avec ces valeurs aberrantes et la vitesse des données d'aphélie), et le paramètre gravitationnel (constant). En plus de cela, même si l'assistance par gravité était capable de devenir plus efficace et de diminuer de plus en plus les vitesses, cela signifierait que Vénus devrait toujours être positionnée avant l'aphélie afin de diminuer sa vitesse au moment où elle atteint l'aphélie, ce qui est aussi quelque chose que je pense est peu probable. Est-ce que quelqu'un sait ce qui peut se passer ici ? *** toutes mes connaissances sur ce sujet proviennent d'internet donc il me manque peut-être quelque chose de très simple ***

Il s'agit de la vitesse au périhélie et aux données de l'aphélie où la première rangée est l'orbite 1, la deuxième est l'orbite 2, la troisième est l'orbite 3, . et la dernière est l'orbite 8. Il semble y avoir des similitudes avec les 2e et 3e orbites et les 5e et 6e, ce qui est peut-être aussi important. Je sais que les paires d'assistance de la gravité 1er et 2e, 3e et 4e, 5e et 6e se produisent à peu près à la même position de Vénus dans son orbite, mais même cela ne semble pas être ce qui se reflète dans les similitudes entre les orbites 2 et 3 , 5 et 6 dans les données ci-dessous.

Ceci est un tableau de toutes les données que j'ai calculées (les distances du périhélie et de l'aphélie que j'ai trouvées de la NASA).

J'ai également trouvé un graphique de la vitesse de la PSP au fil du temps et il affiche la même chose que j'ai trouvé : malgré l'augmentation de la vitesse au périhélie, la vitesse de l'aphélie diminue légèrement.

J'ai l'idée que cette diminution de vitesse pourrait être la raison pour laquelle la PSP est capable de maintenir sa vitesse d'entrée dans l'assistance gravitationnelle assez constante (j'ai également calculé cela) malgré sa vitesse au périhélie augmentant considérablement. J'ai calculé les v_inf entrants de la PSP pour chaque assistance de gravité et ils sont tous d'environ 22,9 km/s malgré le fait que la PSP obtiendrait beaucoup plus de vitesse du soleil après chaque assistance (j'ai une exception étrange dans les vitesses pour le 6ème survol que j'ai trouvé est de 43,7 km/s mais je soupçonne que quelque chose ne va pas avec ces données puisqu'il a également une excentricité de 140 000). Je me demandais comment la PSP était capable de garder un v_inf aussi constant dans l'assistance et maintenant je suppose que cela a quelque chose à voir avec la diminution de la vitesse à l'aphélie.


Voyage au soleil : pourquoi la sonde solaire Parker ne fond-elle pas ?

Cet été, la sonde solaire Parker de la NASA sera lancée pour voyager plus près du Soleil, plus profondément dans l'atmosphère solaire, que toute autre mission avant elle. Si la Terre était à une extrémité d'une mesure et le Soleil à l'autre, Parker Solar Probe atteindra à moins de quatre pouces de la surface solaire.

À l'intérieur de cette partie de l'atmosphère solaire, une région connue sous le nom de couronne, Parker Solar Probe fournira des observations sans précédent de ce qui motive le large éventail de particules, d'énergie et de chaleur qui traversent la région, projetant des particules vers l'extérieur dans le système solaire et bien au-delà. Neptune.

À l'intérieur de la couronne, il fait aussi, bien sûr, incroyablement chaud. Le vaisseau spatial traversera des matériaux avec des températures supérieures à un million de degrés Fahrenheit tout en étant bombardé d'une lumière solaire intense.

Parker Solar Probe a été conçu pour résister aux conditions extrêmes et aux fluctuations de température de la mission. La clé réside dans son bouclier thermique personnalisé et dans un système autonome qui aide à protéger la mission de l'émission lumineuse intense du Soleil, mais permet au matériau coronal de "toucher" le vaisseau spatial.

La science derrière pourquoi il ne fondra pas

L'une des clés pour comprendre ce qui assure la sécurité du vaisseau spatial et de ses instruments est de comprendre le concept de chaleur en fonction de la température. Contre-intuitivement, les températures élevées ne se traduisent pas toujours par le chauffage réel d'un autre objet.

Dans l'espace, la température peut atteindre des milliers de degrés sans fournir de chaleur significative à un objet donné ou sans sensation de chaleur.Pourquoi? La température mesure la vitesse à laquelle les particules se déplacent, tandis que la chaleur mesure la quantité totale d'énergie qu'elles transfèrent. Les particules peuvent se déplacer rapidement (haute température), mais si elles sont très peu nombreuses, elles ne transféreront pas beaucoup d'énergie (faible chaleur). Étant donné que l'espace est en grande partie vide, il y a très peu de particules qui peuvent transférer de l'énergie au vaisseau spatial.

La couronne à travers laquelle Parker Solar Probe vole, par exemple, a une température extrêmement élevée mais une densité très faible. Pensez à la différence entre mettre votre main dans un four chaud et la mettre dans une casserole d'eau bouillante (n'essayez pas ça à la maison !) - dans le four, votre main peut supporter des températures beaucoup plus chaudes plus longtemps que dans l'eau où il doit interagir avec beaucoup plus de particules. De même, par rapport à la surface visible du Soleil, la couronne est moins dense, de sorte que le vaisseau spatial interagit avec moins de particules chaudes et ne reçoit pas autant de chaleur.

Cela signifie que tandis que Parker Solar Probe traversera un espace avec des températures de plusieurs millions de degrés, la surface du bouclier thermique qui fait face au Soleil ne sera chauffée qu'à environ 2 500 degrés Fahrenheit (environ 1 400 degrés Celsius).

Le bouclier qui le protège

Bien sûr, des milliers de degrés Fahrenheit sont encore incroyablement chauds. (À titre de comparaison, la lave des éruptions volcaniques peut se situer entre 1 300 et 2 200 F (700 et 1 200 C) Et pour résister à cette chaleur, Parker Solar Probe utilise un bouclier thermique appelé système de protection thermique, ou TPS, qui est de 8 pieds (2,4 mètres) de diamètre et 4,5 pouces (environ 115 mm) d'épaisseur.Ces quelques pouces de protection signifient que juste de l'autre côté du bouclier, le corps du vaisseau spatial se trouvera à une température confortable de 85 F (30 C).

Le TPS a été conçu par le laboratoire de physique appliquée de Johns Hopkins et a été construit chez Carbon-Carbon Advanced Technologies, en utilisant une mousse composite de carbone prise en sandwich entre deux plaques de carbone. Cette isolation légère sera accompagnée d'une touche finale de peinture céramique blanche sur la plaque face au soleil, pour refléter le plus de chaleur possible. Testé pour résister à jusqu'à 3 000 F (1 650 C), le TPS peut gérer toute chaleur que le soleil peut envoyer sur son chemin, gardant presque toute l'instrumentation en sécurité.

La coupe qui mesure le vent

Mais tous les instruments Solar Parker Probe ne seront pas derrière le TPS.

Poussant au-dessus du bouclier thermique, la Solar Probe Cup est l'un des deux instruments de Parker Solar Probe qui ne seront pas protégés par le bouclier thermique. Cet instrument est ce qu'on appelle une coupe de Faraday, un capteur conçu pour mesurer les flux d'ions et d'électrons et les angles d'écoulement du vent solaire. En raison de l'intensité de l'atmosphère solaire, des technologies uniques ont dû être conçues pour s'assurer que non seulement l'instrument puisse survivre, mais également que l'électronique à bord puisse renvoyer des lectures précises.

La tasse elle-même est fabriquée à partir de feuilles de titane-zirconium-molybdène, un alliage de molybdène, avec un point de fusion d'environ 4 260 F (2 349 C). Les puces qui produisent un champ électrique pour la Solar Probe Cup sont en tungstène, un métal dont le point de fusion connu le plus élevé est de 6 192 F (3 422 C). Normalement, des lasers sont utilisés pour graver les lignes de quadrillage dans ces puces, mais en raison du point de fusion élevé, de l'acide a dû être utilisé à la place.

Un autre défi est venu sous la forme du câblage électronique - la plupart des câbles fondraient à la suite d'une exposition au rayonnement thermique à une si grande proximité du Soleil. Pour résoudre ce problème, l'équipe a fait pousser des tubes en cristal de saphir pour suspendre le câblage et a fabriqué les fils à partir de niobium.

Pour s'assurer que l'instrument était prêt pour l'environnement difficile, les chercheurs devaient imiter le rayonnement thermique intense du Soleil dans un laboratoire. Pour créer un niveau de chaleur digne d'un test, les chercheurs ont utilisé un accélérateur de particules et des projecteurs IMAX—truqués par un jury pour augmenter leur température. Les projecteurs imitaient la chaleur du Soleil, tandis que l'accélérateur de particules exposait la coupelle au rayonnement pour s'assurer que la coupelle pouvait mesurer les particules accélérées dans des conditions intenses. Pour être absolument sûr que la coupe de la sonde solaire résisterait à l'environnement hostile, le four solaire d'Odeillo, qui concentre la chaleur du soleil à travers 10 000 miroirs réglables, a été utilisé pour tester la coupe contre l'émission solaire intense.

Le bouclier thermique de Parker Solar Probe est composé de deux panneaux de composite carbone-carbone surchauffé prenant en sandwich un noyau en mousse de carbone léger de 4,5 pouces d'épaisseur. Pour refléter autant que possible l'énergie solaire du vaisseau spatial, le côté du bouclier thermique faisant face au soleil est également recouvert d'un revêtement blanc spécialement formulé. Crédit : NASA/Johns Hopkins APL/Ed Whitman

La Solar Probe Cup a réussi ses tests avec brio. En effet, elle a continué à mieux fonctionner et à donner des résultats plus clairs au fur et à mesure qu'elle était exposée aux environnements de test. "Nous pensons que le rayonnement a éliminé toute contamination potentielle", a déclaré Justin Kasper, chercheur principal pour les instruments SWEAP à l'Université du Michigan à Ann Arbor. « Il s'est essentiellement nettoyé tout seul.

Le vaisseau spatial qui garde son sang-froid

Plusieurs autres conceptions sur le vaisseau spatial gardent Parker Solar Probe à l'abri de la chaleur. Sans protection, les panneaux solaires, qui utilisent l'énergie de la même étoile à l'étude pour alimenter le vaisseau spatial, peuvent surchauffer. À chaque approche du Soleil, les panneaux solaires se rétractent derrière l'ombre du bouclier thermique, ne laissant qu'un petit segment exposé aux rayons intenses du Soleil.

Mais si près du Soleil, encore plus de protection est nécessaire. Les panneaux solaires ont un système de refroidissement étonnamment simple : un réservoir chauffé qui empêche le liquide de refroidissement de geler pendant le lancement, deux radiateurs qui empêcheront le liquide de refroidissement de geler, des ailettes en aluminium pour maximiser la surface de refroidissement et des pompes pour faire circuler le liquide de refroidissement. Le système de refroidissement est suffisamment puissant pour refroidir un salon de taille moyenne et gardera les panneaux solaires et l'instrumentation au frais et fonctionnera sous la chaleur du soleil.

Le liquide de refroidissement utilisé pour le système ? Environ un gallon (3,7 litres) d'eau déminéralisée. Bien qu'il existe de nombreux liquides de refroidissement chimiques, la plage de températures à laquelle le vaisseau spatial sera exposé varie entre 50 F (10 C) et 257 F (125 C). Très peu de liquides peuvent gérer ces gammes comme l'eau. Pour empêcher l'eau de bouillir à l'extrémité la plus élevée des températures, elle sera pressurisée afin que le point d'ébullition soit supérieur à 257 F (125 C).

Un autre problème avec la protection de tout vaisseau spatial est de savoir comment communiquer avec lui. Parker Solar Probe sera en grande partie seul dans son voyage. Il faut huit minutes à la lumière pour atteindre la Terre, ce qui signifie que si les ingénieurs devaient contrôler le vaisseau spatial depuis la Terre, au moment où quelque chose ne va pas, il serait trop tard pour le corriger.

Dans l'usine de traitement d'Astrotech à Titusville, en Floride, près du Kennedy Space Center de la NASA, le mardi 5 juin 2018, des techniciens et des ingénieurs effectuent des tests de barres lumineuses sur la sonde solaire Parker de la NASA. Le vaisseau spatial sera lancé sur une fusée United Launch Alliance Delta IV Heavy depuis le Space Launch Complex 37 de la base aérienne de Cap Canaveral en Floride. La mission effectuera les observations les plus proches d'une étoile lors de son voyage dans l'atmosphère du Soleil, appelée couronne. La sonde s'appuiera sur des mesures et des images pour révolutionner notre compréhension de la couronne et de la connexion Soleil-Terre. Crédit : NASA/Glenn Benson

Ainsi, le vaisseau spatial est conçu pour se maintenir de manière autonome en sécurité et sur la bonne voie vers le Soleil. Plusieurs capteurs, environ la moitié de la taille d'un téléphone portable, sont fixés au corps du vaisseau spatial le long du bord de l'ombre du bouclier thermique. Si l'un de ces capteurs détecte la lumière du soleil, il alerte l'ordinateur central et le vaisseau spatial peut corriger sa position pour protéger les capteurs et le reste des instruments en toute sécurité. Tout cela doit se produire sans aucune intervention humaine, de sorte que le logiciel informatique central a été programmé et largement testé pour s'assurer que toutes les corrections peuvent être apportées à la volée.

Lancement vers le Soleil

Après le lancement, Parker Solar Probe détectera la position du Soleil, alignera le bouclier de protection thermique pour lui faire face et poursuivra son voyage pendant les trois prochains mois, embrassant la chaleur du Soleil et se protégeant du vide froid de l'espace.

Au cours des sept années de durée de mission prévue, le vaisseau spatial effectuera 24 orbites autour de notre étoile. À chaque approche rapprochée du Soleil, il échantillonnera le vent solaire, étudiera la couronne solaire et fournira des observations rapprochées sans précédent autour de notre étoile - et armé de sa multitude de technologies innovantes, nous savons qu'il gardera son sang-froid tout le temps.


Qu'essayons-nous de découvrir ?

Nous étudions le Soleil depuis des milliers d'années, et même si nous disposons maintenant d'observatoires de télédétection et d'engins spatiaux qui l'examinent avec des détails spectaculaires, de nombreuses questions demeurent.

  • Pourquoi la couronne à l'extérieur du Soleil est-elle au moins 300 fois plus chaude que la surface ?
  • Pourquoi le vent solaire accélère-t-il ?

"Ces questions sont importantes parce que nous vivons littéralement dans l'atmosphère du Soleil", a déclaré le Dr Fox.

"Cette région extérieure s'accélère et s'éloigne du Soleil, baignant toutes les planètes."

Lorsque de grands événements tels que des taches solaires ou des éjections de masse coronale se produisent, ils peuvent avoir des effets dramatiques sur notre planète, provoquant des aurores spectaculaires mais perturbant également les systèmes de communication.

En comprenant comment ce vent solaire est généré et modifié dans cette région proche du Soleil, nous pouvons mieux prévoir ce qui pourrait impacter notre planète.

L'astronome Dr Brad Tucker de l'Université nationale australienne a déclaré que comprendre le fonctionnement du vent solaire avait également des implications importantes pour l'exploration spatiale.

"Une fois que vous êtes dans l'espace, il n'y a ni gravité ni atmosphère, vous avez donc juste besoin de cette poussée, de cette rafale de vent pour vous faire avancer, puis vous continuerez", a déclaré le Dr Tucker.

En fait, a-t-il dit, des engins spatiaux tels que le télescope spatial Kepler utilisent déjà cette technique.

Le Dr Tucker a déclaré que comprendre les vents solaires est également essentiel pour comprendre à quelle quantité de rayonnement nous pourrions être exposés dans l'espace.

"Heureusement, ici sur Terre, nous sommes protégés par un champ magnétique. Mais quand on parle d'aller sur la Lune ou sur Mars où l'atmosphère est peu ou pas du tout. nous n'avons pas cette protection", a-t-il déclaré.

"Donc, si nous voulons vivre, travailler, étudier et nous amuser dans ces endroits, nous devons comprendre comment le Soleil aura un impact sur cela."


Explorer les sources du vent solaire avec Parker Solar Probe et NSO/GONG

PSP a mesuré le champ magnétique du Soleil devenant plus fort puis de nouveau plus faible lorsqu'il passait près du Soleil. La direction du champ a basculé entre le pointage vers (bleu) et l'éloignement (rouge) du Soleil. Nous avons fait correspondre notre modèle à ces mesures (jaune) pour comprendre d'où venait le vent solaire atteignant PSP.

Dans notre travail [Badman 2020], nous nous sommes concentrés sur les flips plus longs qui ont eu lieu à des jours ou des semaines d'intervalle, qui nous renseignent sur la structure du champ magnétique du Soleil à grande échelle. Nous avons utilisé des modèles magnétiques du Soleil à l'aide de mesures prises par le Global Oscillations Network Group (GONG) de la NSF pour expliquer pourquoi cette signature a été mesurée. Ce faisant, nous avons déterminé quelles parties du Soleil généraient le plasma passant devant PSP pendant cette période. En particulier, nous avons trouvé pour ce premier survol rapproché que le vent solaire venait d'une petite région près de l'équateur du Soleil appelée un trou coronal équatorial.

Le champ du Soleil est principalement constitué de boucles fermées (noir) qui piègent le plasma, mais à certains endroits, il peut s'ouvrir et le vent solaire peut s'échapper (bleu). Pour notre intervalle de temps d'intérêt, le vent solaire atteignant PSP s'échappait des lignes de champ ouvertes près de l'équateur, un "trou coronal équatorial". (Figure générée avec Sunpy )

Le Soleil crache toujours du plasma chaud dans toutes les directions, appelé vent solaire, remplissant l'espace. Une partie de ce plasma traverse la Terre. Nous sommes toujours secoués par le vent solaire, mais la plupart du temps, nous sommes protégés des effets néfastes du champ magnétique terrestre. Parfois, le Soleil enverra une rafale de rayonnement vers la Terre, ou les caractéristiques du type de vent solaire atteignant la Terre changeront soudainement. Lorsqu'un changement rapide comme celui-ci se produit, il peut météo spatiale événements qui peuvent endommager les satellites, affecter les communications radio et même endommager nos réseaux électriques. Prédire cela est vraiment important et pour faire ces prédictions, nous devons connaître les chemin que ces événements emmèneront du Soleil à la Terre. La plupart des éruptions du Soleil sont guidées vers l'extérieur par des lignes de champ magnétique. Seules certaines lignes de champ magnétique 'échappent' au Soleil, beaucoup se referment comme les boucles que vous voyez avec de la limaille de fer et un barreau aimanté. Nous devons connaître l'emplacement de ces ouvert, ou s'échapper, des lignes de champ pour prédire d'où les transitoires peuvent s'échapper et où ils pourraient se rendre dans l'espace, y compris la Terre. En expliquant ce que nous mesurons avec Sonde solaire Parker, nous pouvons tester ces connexions et les emplacements des “lignes de champ ouvert” et améliorer nos modèles pour aider à la prévision météorologique spatiale.

Nous utilisons un modèle de champ magnétique (appelé le modèle de surface de source de champ potentiel, librement accessible dans le langage de programmation python [Stansby 2020]) de la couronne en utilisant les données de la NSF GONG, qui est exploité par l'Observatoire solaire national. GONG mesure le champ magnétique sur le surface du soleil, notre modèle permet à cette mesure d'être étendu vers le haut donnant la structure magnétique compliquée de la couronne que vous pourriez avoir une idée en regardant des photos de l'éclipse. Ce que nous faisons ensuite, c'est de faire voler la PSP «à travers le modèle» en suivant sa trajectoire orbitale et, ce faisant, enregistrer ce que le modèle prédit que la PSP mesurera pour le champ magnétique. Nous pouvons ensuite comparer cette prédiction et les mesures réelles, déterminer dans quelle mesure nous avons réussi et faire des ajustements si nécessaire. Lorsque nous avons notre prédiction, nous pouvons alors tracer les lignes de champ magnétique vers l'intérieur du modèle, en partant de l'endroit où se trouve PSP, jusqu'à la surface du Soleil (le photosphère) et cela nous dit de quelles régions du Soleil le vent solaire s'échappait pour atteindre PSP.

Modéliser la couronne solaire signifie étendre la partie du champ magnétique que nous pouvons mesurer avec le GONG de NSO à la surface du Soleil (sphère supérieure) vers le haut et vers l'extérieur. Lorsque nous faisons cela, nous voyons des lignes de champ ouvertes (rouge et bleue) ainsi que des boucles fermées (gris).

Parker Solar Probe se rapproche vraiment très près du Soleil et c'est donc particulièrement excitant d'essayer d'expliquer le vent solaire qu'il voit puisqu'il y a moins incertitude du voyage des vents solaires entre la couronne et la PSP, et encore plus unique, la PSP devient si rapide sur son orbite qu'elle rattrape brièvement le Soleil (la plupart des engins spatiaux orbitent autour du Soleil beaucoup plus lentement que la vitesse à laquelle le Soleil tourne) et dérive au même endroit pendant plusieurs jours. Cela signifie que si nous découvrons d'où vient le vent solaire à ce moment-là, nous pouvons mesurer comment il change en temps aussi bien que espace et utilisez toutes ces nouvelles informations pour en savoir plus sur la façon dont l'atmosphère du Soleil s'échappe dans l'espace, par exemple pour déterminer d'où viennent les lacets passionnants.


La sonde solaire Parker de la NASA jette un nouvel éclairage sur le soleil

En août 2018, la sonde solaire Parker de la NASA a été lancée dans l'espace, devenant bientôt le vaisseau spatial le plus proche du Soleil. Avec des instruments scientifiques de pointe pour mesurer l'environnement autour du vaisseau spatial, Parker Solar Probe a effectué trois des 24 passages prévus à travers des parties jamais explorées de l'atmosphère du Soleil, la couronne. Le 4 décembre 2019, quatre nouveaux articles dans la revue Nature décrivent ce que les scientifiques ont appris de cette exploration sans précédent de notre étoile - et ce qu'ils ont hâte d'apprendre ensuite.

Ces découvertes révèlent de nouvelles informations sur le comportement du matériau et des particules qui s'éloignent du Soleil, rapprochant les scientifiques de la réponse aux questions fondamentales sur la physique de notre étoile. Dans la quête pour protéger les astronautes et la technologie dans l'espace, les informations que Parker a découvertes sur la façon dont le Soleil éjecte constamment de la matière et de l'énergie aideront les scientifiques à réécrire les modèles que nous utilisons pour comprendre et prédire la météo spatiale autour de notre planète et comprendre le processus en quelles étoiles sont créées et évoluent.

"Ces premières données de Parker révèlent notre étoile, le Soleil, de manière nouvelle et surprenante", a déclaré Thomas Zurbuchen, administrateur associé pour la science au siège de la NASA à Washington. "Observer le Soleil de près plutôt que d'une distance beaucoup plus grande nous donne une vue sans précédent sur les phénomènes solaires importants et comment ils nous affectent sur Terre, et nous donne de nouvelles informations pertinentes pour la compréhension des étoiles actives à travers les galaxies. Ce n'est que le début d'une période incroyablement excitante pour l'héliophysique avec Parker à l'avant-garde des nouvelles découvertes."

Bien que cela puisse nous sembler placide ici sur Terre, le Soleil est tout sauf silencieux. Notre étoile est magnétiquement active, libérant de puissants éclats de lumière, des déluges de particules se déplaçant à une vitesse proche de la vitesse de la lumière et des nuages ​​de milliards de tonnes de matière magnétisée. Toute cette activité affecte notre planète, injectant des particules nocives dans l'espace où volent nos satellites et astronautes, perturbant les communications et les signaux de navigation, et même - lorsqu'elles sont intenses - déclenchant des pannes de courant. Cela s'est produit pendant toute la durée de vie de 5 milliards d'années du Soleil et continuera à façonner le destin de la Terre et des autres planètes de notre système solaire dans le futur.

"Le Soleil a fasciné l'humanité pendant toute notre existence", a déclaré Nour E. Raouafi, scientifique du projet Parker Solar Probe au Johns Hopkins Applied Physics Laboratory à Laurel, Maryland, qui a construit et gère la mission pour la NASA. "Nous avons beaucoup appris sur notre étoile au cours des dernières décennies, mais nous avions vraiment besoin d'une mission comme Parker Solar Probe pour aller dans l'atmosphère du Soleil. C'est seulement là que nous pouvons vraiment apprendre les détails de ces processus solaires complexes. Et ce que nous avons appris rien que sur ces trois orbites solaires a changé beaucoup de ce que nous savons du Soleil."

Ce qui se passe sur le Soleil est essentiel pour comprendre comment il façonne l'espace qui nous entoure. La majeure partie de la matière qui s'échappe du Soleil fait partie du vent solaire, un écoulement continuel de matière solaire qui baigne l'ensemble du système solaire. Ce gaz ionisé, appelé plasma, transporte avec lui le champ magnétique du Soleil, l'étendant à travers le système solaire dans une bulle géante qui s'étend sur plus de 16 milliards de kilomètres.

Le vent solaire dynamique

Observé près de la Terre, le vent solaire est un flux de plasma relativement uniforme, avec des culbutes turbulentes occasionnelles. Mais à ce stade, il a parcouru plus de quatre-vingt-dix millions de kilomètres – et les signatures des mécanismes exacts du Soleil pour chauffer et accélérer le vent solaire sont anéanties. Plus près de la source du vent solaire, Parker Solar Probe a vu une image bien différente : un système actif et compliqué.

« La complexité était époustouflante lorsque nous avons commencé à examiner les données », a déclaré Stuart Bale, de l'Université de Californie à Berkeley, responsable de la suite d'instruments FIELDS de Parker Solar Probe, qui étudie l'échelle et la forme des champs électriques et magnétiques. "Maintenant, je m'y suis habitué. Mais quand je montre des collègues pour la première fois, ils sont tout simplement époustouflés." Du point de vue de Parker à 15 millions de kilomètres du Soleil, a expliqué Bale, le vent solaire est beaucoup plus impulsif et instable que ce que nous voyons près de la Terre.

Comme le Soleil lui-même, le vent solaire est composé de plasma, où les électrons chargés négativement se sont séparés des ions chargés positivement, créant une mer de particules flottantes avec une charge électrique individuelle. Ces particules flottantes signifient que le plasma transporte des champs électriques et magnétiques, et les changements dans le plasma font souvent des marques sur ces champs. Les instruments FIELDS ont étudié l'état du vent solaire en mesurant et en analysant soigneusement comment les champs électriques et magnétiques autour de l'engin spatial ont changé au fil du temps, ainsi qu'en mesurant les ondes dans le plasma voisin.

Ces mesures ont montré des inversions rapides du champ magnétique et des jets de matière soudains et plus rapides, toutes caractéristiques qui rendent le vent solaire plus turbulent. Ces détails sont essentiels pour comprendre comment le vent disperse l'énergie lorsqu'elle s'éloigne du Soleil et dans tout le système solaire.

Un type d'événement a particulièrement attiré l'attention des équipes scientifiques : les basculements dans la direction du champ magnétique, qui sort du Soleil, noyé dans le vent solaire. Ces inversions - appelées "switchbacks" - durent de quelques secondes à plusieurs minutes lorsqu'elles s'écoulent sur Parker Solar Probe. Lors d'un retour en arrière, le champ magnétique revient sur lui-même jusqu'à ce qu'il soit dirigé presque directement vers le Soleil. Ensemble, FIELDS et SWEAP, la suite d'instruments à vent solaire dirigée par l'Université du Michigan et gérée par le Smithsonian Astrophysical Observatory, ont mesuré des grappes de lacets tout au long des deux premiers survols de Parker Solar Probe.

"Des vagues ont été observées dans le vent solaire depuis le début de l'ère spatiale, et nous avons supposé que plus près du Soleil, les vagues deviendraient plus fortes, mais nous ne nous attendions pas à les voir s'organiser en ces pics de vitesse structurés cohérents", a déclaré Justin Kasper, chercheur principal de SWEAP - abréviation de Solar Wind Electrons Alphas and Protons - à l'Université du Michigan à Ann Arbor. "Nous détectons des restes de structures du Soleil projetés dans l'espace et modifiant violemment l'organisation des flux et du champ magnétique. Cela changera radicalement nos théories sur la façon dont la couronne et le vent solaire sont chauffés."

La source exacte des lacets n'est pas encore comprise, mais les mesures de Parker Solar Probe ont permis aux scientifiques de restreindre les possibilités.

Parmi les nombreuses particules qui affluent perpétuellement du Soleil, il y a un faisceau constant d'électrons en mouvement rapide, qui se déplacent le long des lignes de champ magnétique du Soleil jusqu'au système solaire. Ces électrons circulent toujours strictement le long de la forme des lignes de champ sortant du Soleil, que le pôle nord du champ magnétique dans cette région particulière pointe vers ou à l'opposé du Soleil. Mais Parker Solar Probe a mesuré ce flux d'électrons allant dans la direction opposée, retournant vers le Soleil - montrant que le champ magnétique lui-même doit se replier vers le Soleil, plutôt que Parker Solar Probe rencontrant simplement une ligne de champ magnétique différente de la Soleil qui pointe dans la direction opposée. Cela suggère que les lacets sont des déformations du champ magnétique - des perturbations localisées s'éloignant du Soleil, plutôt qu'un changement dans le champ magnétique lorsqu'il émerge du Soleil.

Les observations de Parker Solar Probe sur les lacets suggèrent que ces événements deviendront encore plus fréquents à mesure que le vaisseau spatial se rapprochera du Soleil. La prochaine rencontre solaire de la mission, le 29 janvier 2020, amènera le vaisseau spatial plus près du Soleil que jamais auparavant, et pourrait jeter un nouvel éclairage sur ce processus. Non seulement ces informations aident à changer notre compréhension des causes du vent solaire et de la météo spatiale qui nous entourent, mais elles nous aident également à comprendre un processus fondamental du fonctionnement des étoiles et de la façon dont elles libèrent de l'énergie dans leur environnement.

Le vent solaire tournant

Certaines des mesures de Parker Solar Probe rapprochent les scientifiques des réponses à des questions vieilles de plusieurs décennies. Une de ces questions est de savoir comment, exactement, le vent solaire sort du Soleil.

Près de la Terre, nous voyons le vent solaire s'écouler presque radialement, ce qui signifie qu'il vient directement du Soleil, droit dans toutes les directions. Mais le Soleil tourne lorsqu'il libère le vent solaire avant qu'il ne se libère, le vent solaire tournait avec lui. C'est un peu comme les enfants qui montent sur un carrousel de parc de jeux - l'atmosphère tourne avec le soleil un peu comme la partie extérieure du carrousel, mais plus vous vous éloignez du centre, plus vous vous déplacez rapidement dans l'espace. Un enfant sur le bord pourrait sauter et, à ce stade, se déplacerait en ligne droite vers l'extérieur, plutôt que de continuer à tourner. De la même manière, il y a un certain point entre le Soleil et la Terre, le vent solaire passe d'une rotation avec le Soleil à un écoulement direct vers l'extérieur, ou radialement, comme nous le voyons depuis la Terre.

L'endroit exact où le vent solaire passe d'un flux rotationnel à un flux parfaitement radial a des implications sur la façon dont le Soleil libère de l'énergie. Trouver ce point peut nous aider à mieux comprendre le cycle de vie d'autres étoiles ou la formation de disques protoplanétaires, les disques denses de gaz et de poussière autour de jeunes étoiles qui finissent par fusionner en planètes.

Maintenant, pour la première fois - plutôt que de simplement voir ce flux rectiligne que nous voyons près de la Terre - Parker Solar Probe a pu observer le vent solaire alors qu'il tournait encore. C'est comme si Parker Solar Probe avait une vue directe du carrousel tourbillonnant pour la première fois, pas seulement les enfants qui en sautaient. L'instrument à vent solaire de Parker Solar Probe a détecté une rotation commençant à plus de 20 millions de kilomètres du Soleil, et à mesure que Parker approchait de son point de périhélie, la vitesse de rotation augmentait. La force de la circulation était plus forte que ce que de nombreux scientifiques avaient prédit, mais elle est également passée plus rapidement que prévu à un flux sortant, ce qui aide à masquer ces effets d'où nous nous asseyons habituellement, à environ 93 millions de kilomètres du Soleil.

"Le grand flux de rotation du vent solaire observé lors des premières rencontres a été une véritable surprise", a déclaré Kasper. "Alors que nous espérions éventuellement voir un mouvement de rotation plus proche du Soleil, les vitesses élevées que nous observons lors de ces premières rencontres sont près de dix fois supérieures à celles prévues par les modèles standard."

Poussière près du Soleil

Une autre question approchant une réponse est la zone sans poussière insaisissable. Notre système solaire est inondé de poussière - les miettes cosmiques de collisions qui ont formé des planètes, des astéroïdes, des comètes et d'autres corps célestes il y a des milliards d'années. Les scientifiques soupçonnent depuis longtemps que, près du Soleil, cette poussière serait chauffée à des températures élevées par la lumière solaire puissante, la transformant en gaz et créant une région sans poussière autour du Soleil. Mais personne ne l'avait jamais observé.

Pour la première fois, les imageurs de Parker Solar Probe ont vu la poussière cosmique commencer à se diluer. Parce que WISPR - l'instrument d'imagerie de Parker Solar Probe, dirigé par le Naval Research Lab - regarde du côté du vaisseau spatial, il peut voir de larges bandes de la couronne et du vent solaire, y compris des régions plus proches du Soleil. Ces images montrent que la poussière commence à s'amincir à un peu plus de 7 millions de kilomètres du Soleil, et cette diminution de la poussière se poursuit régulièrement jusqu'aux limites actuelles des mesures de WISPR à un peu plus de 4 millions de kilomètres du Soleil.

"Cette zone sans poussière a été prédite il y a des décennies, mais n'a jamais été vue auparavant", a déclaré Russ Howard, chercheur principal de la suite WISPR - abréviation de Wide-field Imager for Solar Probe - au Naval Research Laboratory de Washington, DC "Nous voyons maintenant ce qui arrive à la poussière près du Soleil."

Au rythme de l'amincissement, les scientifiques s'attendent à voir une zone véritablement sans poussière commençant à un peu plus de 2 à 3 millions de kilomètres du Soleil, ce qui signifie que Parker Solar Probe pourrait observer la zone sans poussière dès 2020, lorsque son sixième le survol du Soleil le rapprochera plus que jamais de notre étoile.

Mettre la météo spatiale au microscope

Les mesures de Parker Solar Probe nous ont donné une nouvelle perspective sur deux types d'événements météorologiques spatiaux : les tempêtes de particules énergétiques et les éjections de masse coronale.

De minuscules particules - à la fois des électrons et des ions - sont accélérées par l'activité solaire, créant des tempêtes de particules énergétiques. Les événements sur le Soleil peuvent envoyer ces particules dans le système solaire à une vitesse proche de la vitesse de la lumière, ce qui signifie qu'elles atteignent la Terre en moins d'une demi-heure et peuvent avoir un impact sur d'autres mondes sur des échelles de temps tout aussi courtes. Ces particules transportent beaucoup d'énergie, elles peuvent donc endommager l'électronique des engins spatiaux et même mettre en danger les astronautes, en particulier ceux qui se trouvent dans l'espace lointain, en dehors de la protection du champ magnétique terrestre - et le court délai d'avertissement pour de telles particules les rend difficiles à éviter.

Comprendre exactement comment ces particules sont accélérées à des vitesses aussi élevées est crucial. Mais même si elles arrivent sur Terre en aussi peu que quelques minutes, c'est encore assez de temps pour que les particules perdent les signatures des processus qui les ont accélérées en premier lieu. En tournant autour du Soleil à quelques millions de kilomètres seulement, Parker Solar Probe peut mesurer ces particules juste après qu'elles aient quitté le Soleil, jetant ainsi un nouvel éclairage sur la façon dont elles sont libérées.

Déjà, les instruments IS-IS de Parker Solar Probe, dirigés par l'Université de Princeton, ont mesuré plusieurs événements de particules énergétiques jamais vus auparavant - des événements si petits que toute trace d'entre eux est perdue avant qu'ils n'atteignent la Terre ou l'un de nos satellites géocroiseurs. . Ces instruments ont également mesuré un type rare d'éclatement de particules avec un nombre particulièrement élevé d'éléments plus lourds, ce qui suggère que les deux types d'événements peuvent être plus fréquents que les scientifiques ne le pensaient auparavant.

"C'est incroyable - même dans des conditions solaires minimales, le Soleil produit beaucoup plus d'événements de particules énergétiques minuscules que nous ne le pensions", a déclaré David McComas, chercheur principal de l'Integrated Science Investigation of the Sun suite, ou IS-IS, à l'Université de Princeton. dans le New Jersey. "Ces mesures nous aideront à démêler les sources, l'accélération et le transport des particules énergétiques solaires et, finalement, à mieux protéger les satellites et les astronautes à l'avenir."

Les données des instruments WISPR ont également fourni des détails sans précédent sur les structures de la couronne et du vent solaire – y compris les éjections de masse coronale, les nuages ​​​​de milliards de tonnes de matière solaire que le Soleil envoie se précipiter dans le système solaire. Les CME peuvent déclencher une série d'effets sur la Terre et d'autres mondes, allant des étincelles d'aurores à l'induction de courants électriques pouvant endommager les réseaux électriques et les pipelines. La perspective unique de WISPR, en regardant à côté de tels événements lorsqu'ils s'éloignent du Soleil, a déjà jeté un nouvel éclairage sur la gamme d'événements que notre étoile peut déclencher.

"Puisque Parker Solar Probe correspondait à la rotation du Soleil, nous pouvions observer la sortie de matière pendant des jours et voir l'évolution des structures", a déclaré Howard. "Les observations près de la Terre nous ont fait penser que les fines structures de la couronne se transforment en un flux régulier, et nous découvrons que ce n'est pas vrai. Cela nous aidera à mieux modéliser la façon dont les événements se déplacent entre le Soleil et la Terre."

Alors que Parker Solar Probe poursuit son voyage, il effectuera 21 approches plus proches du Soleil à des distances de plus en plus rapprochées, culminant en trois orbites à seulement 3,83 millions de miles de la surface solaire.

"Le Soleil est la seule étoile que nous pouvons examiner de près", a déclaré Nicola Fox, directeur de la division héliophysique au siège de la NASA. "L'obtention de données à la source révolutionne déjà notre compréhension de notre propre étoile et des étoiles à travers l'univers. Notre petit vaisseau spatial se bat dans des conditions brutales pour envoyer à la maison des révélations surprenantes et passionnantes."

Les données des deux premières rencontres solaires de Parker Solar Probe sont accessibles au public en ligne :

Parker Solar Probe fait partie du programme Living with a Star de la NASA pour explorer les aspects du système Soleil-Terre qui affectent directement la vie et la société. Le programme Vivre avec une étoile est géré par le Goddard Space Flight Center de l'agence à Greenbelt, Maryland, pour la Direction des missions scientifiques de la NASA à Washington. Johns Hopkins APL a conçu, construit et exploite le vaisseau spatial.


La sonde solaire Parker de la NASA jette un nouvel éclairage sur le soleil

Illustration de la sonde solaire Parker. Crédit : NASA/Johns Hopkins APL

En août 2018, la sonde solaire Parker de la NASA a été lancée dans l'espace, devenant bientôt le vaisseau spatial le plus proche du Soleil. Avec des instruments scientifiques de pointe pour mesurer l'environnement autour du vaisseau spatial, Parker Solar Probe a effectué trois des 24 passages prévus à travers des parties jamais explorées de l'atmosphère du Soleil, la couronne. Le 4 décembre 2019, quatre nouveaux articles dans la revue Nature décrivez ce que les scientifiques ont appris de cette exploration sans précédent de notre étoile et ce qu'ils ont hâte d'apprendre ensuite.

Ces découvertes révèlent de nouvelles informations sur le comportement du matériau et des particules qui s'éloignent du Soleil, rapprochant les scientifiques de la réponse à des questions fondamentales sur la physique de notre étoile. Dans la quête pour protéger les astronautes et la technologie dans l'espace, les informations que Parker a découvertes sur la façon dont le Soleil éjecte constamment de la matière et de l'énergie aideront les scientifiques à réécrire les modèles que nous utilisons pour comprendre et prédire la météo spatiale autour de notre planète et comprendre le processus en quelles étoiles sont créées et évoluent.

"Ces premières données de Parker révèlent notre étoile, le Soleil, de manière nouvelle et surprenante", a déclaré Thomas Zurbuchen, administrateur associé pour la science au siège de la NASA à Washington. "Observer le Soleil de près plutôt que d'une distance beaucoup plus grande nous donne une vue sans précédent sur les phénomènes solaires importants et comment ils nous affectent sur Terre, et nous donne de nouvelles informations pertinentes pour la compréhension des étoiles actives à travers les galaxies. Ce n'est que le début d'une période incroyablement excitante pour l'héliophysique avec Parker à l'avant-garde des nouvelles découvertes."

Bien que cela puisse nous sembler placide ici sur Terre, le Soleil est tout sauf silencieux. Notre étoile est magnétiquement active, libérant de puissants éclats de lumière, des déluges de particules se déplaçant à une vitesse proche de la vitesse de la lumière et des nuages ​​de milliards de tonnes de matière magnétisée. Toute cette activité affecte notre planète, injectant des particules nocives dans l'espace où volent nos satellites et astronautes, perturbant les communications et les signaux de navigation, et même, lorsqu'elles sont intenses, déclenchant des pannes de courant. Cela s'est produit pendant toute la durée de vie de 5 milliards d'années du Soleil et continuera à façonner le destin de la Terre et des autres planètes de notre système solaire dans le futur.

"Le Soleil a fasciné l'humanité pendant toute notre existence", a déclaré Nour E. Raouafi, scientifique du projet Parker Solar Probe au Johns Hopkins Applied Physics Laboratory à Laurel, Maryland, qui a construit et gère la mission pour la NASA. "Nous avons beaucoup appris sur notre étoile au cours des dernières décennies, mais nous avions vraiment besoin d'une mission comme Parker Solar Probe pour aller dans l'atmosphère du Soleil. C'est seulement là que nous pouvons vraiment apprendre les détails de ces processus solaires complexes. Et ce que nous avons appris rien que sur ces trois orbites solaires a changé beaucoup de ce que nous savons du Soleil."

Ce qui se passe sur le Soleil est essentiel pour comprendre comment il façonne l'espace qui nous entoure. La majeure partie de la matière qui s'échappe du Soleil fait partie du vent solaire, un écoulement continuel de matière solaire qui baigne l'ensemble du système solaire. Ce gaz ionisé, appelé plasma, transporte avec lui le champ magnétique du Soleil, l'étendant à travers le système solaire dans une bulle géante qui s'étend sur plus de 16 milliards de kilomètres.

Le vent solaire dynamique

Observé près de la Terre, le vent solaire est un flux de plasma relativement uniforme, avec des culbutes turbulentes occasionnelles. Mais à ce stade, il a parcouru plus de quatre-vingt-dix millions de kilomètres et les signatures des mécanismes exacts du Soleil pour chauffer et accélérer le vent solaire sont anéanties. Plus près de la source du vent solaire, Parker Solar Probe a vu une image bien différente : un système actif et compliqué.

« La complexité était époustouflante lorsque nous avons commencé à examiner les données », a déclaré Stuart Bale, de l'Université de Californie à Berkeley, responsable de la suite d'instruments FIELDS de Parker Solar Probe, qui étudie l'échelle et la forme des champs électriques et magnétiques. "Maintenant, je m'y suis habitué. Mais quand je montre des collègues pour la première fois, ils sont tout simplement époustouflés." Du point de vue de Parker à 15 millions de kilomètres du Soleil, a expliqué Bale, le vent solaire est beaucoup plus impulsif et instable que ce que nous voyons près de la Terre.

Comme le Soleil lui-même, le vent solaire est composé de plasma, où les électrons chargés négativement se sont séparés des ions chargés positivement, créant une mer de particules flottantes avec une charge électrique individuelle. Ces particules flottantes signifient que le plasma transporte des champs électriques et magnétiques, et les changements dans le plasma font souvent des marques sur ces champs. Les instruments FIELDS ont étudié l'état du vent solaire en mesurant et en analysant soigneusement l'évolution des champs électriques et magnétiques autour du vaisseau spatial au fil du temps, ainsi qu'en mesurant les ondes dans le plasma voisin.

Ces mesures ont montré des inversions rapides du champ magnétique et des jets de matière soudains et plus rapides, toutes caractéristiques qui rendent le vent solaire plus turbulent. Ces détails sont essentiels pour comprendre comment le vent disperse l'énergie lorsqu'elle s'éloigne du Soleil et dans tout le système solaire.

Un type d'événement a particulièrement attiré l'attention des équipes scientifiques : les basculements dans la direction du champ magnétique, qui sort du Soleil, noyé dans le vent solaire. Ces inversions, appelées "switchbacks", durent de quelques secondes à plusieurs minutes lorsqu'elles s'écoulent sur Parker Solar Probe. Lors d'un retour en arrière, le champ magnétique revient sur lui-même jusqu'à ce qu'il soit dirigé presque directement vers le Soleil. Ensemble, FIELDS et SWEAP, la suite d'instruments à vent solaire dirigée par l'Université du Michigan et gérée par le Smithsonian Astrophysical Observatory, ont mesuré des grappes de lacets tout au long des deux premiers survols de Parker Solar Probe.

"Des vagues ont été observées dans le vent solaire depuis le début de l'ère spatiale, et nous avons supposé que plus près du Soleil, les vagues deviendraient plus fortes, mais nous ne nous attendions pas à les voir s'organiser en ces pics de vitesse structurés cohérents", a déclaré Justin Kasper, chercheur principal de SWEAP (abréviation de Solar Wind Electrons Alphas and Protons) à l'Université du Michigan à Ann Arbor. "Nous détectons des vestiges de structures du Soleil projetés dans l'espace et modifiant violemment l'organisation des flux et du champ magnétique.Cela changera radicalement nos théories sur la façon dont la couronne et le vent solaire sont chauffés. »

La source exacte des lacets n'est pas encore comprise, mais les mesures de Parker Solar Probe ont permis aux scientifiques de restreindre les possibilités.

Parmi les nombreuses particules qui affluent perpétuellement du Soleil, il y a un faisceau constant d'électrons en mouvement rapide, qui se déplacent le long des lignes de champ magnétique du Soleil jusqu'au système solaire. Ces électrons circulent toujours strictement le long de la forme des lignes de champ sortant du Soleil, que le pôle nord du champ magnétique dans cette région particulière pointe vers ou à l'opposé du Soleil. Mais Parker Solar Probe a mesuré ce flux d'électrons allant dans la direction opposée, retournant vers le Soleil, montrant que le champ magnétique lui-même doit se replier vers le Soleil, plutôt que Parker Solar Probe rencontrant simplement une ligne de champ magnétique différente du Soleil. qui pointe dans la direction opposée. Cela suggère que les lacets sont des déformations du champ magnétique - des perturbations localisées s'éloignant du Soleil, plutôt qu'un changement dans le champ magnétique lorsqu'il émerge du Soleil.

Les observations de Parker Solar Probe sur les lacets suggèrent que ces événements deviendront encore plus fréquents à mesure que le vaisseau spatial se rapprochera du Soleil. La prochaine rencontre solaire de la mission, le 29 janvier 2020, amènera le vaisseau spatial plus près du Soleil que jamais auparavant, et pourrait jeter un nouvel éclairage sur ce processus. Non seulement ces informations aident à changer notre compréhension des causes du vent solaire et de la météo spatiale qui nous entourent, mais elles nous aident également à comprendre un processus fondamental du fonctionnement des étoiles et de la façon dont elles libèrent de l'énergie dans leur environnement.

Le vent solaire tournant

Certaines des mesures de Parker Solar Probe rapprochent les scientifiques des réponses à des questions vieilles de plusieurs décennies. Une de ces questions est de savoir comment, exactement, le vent solaire sort du Soleil.

Près de la Terre, nous voyons le vent solaire s'écouler presque radialement, ce qui signifie qu'il s'écoule directement du Soleil, droit dans toutes les directions. Mais le Soleil tourne lorsqu'il libère le vent solaire avant qu'il ne se libère, le vent solaire tournait avec lui. C'est un peu comme si les enfants montaient sur un carrousel de parc de jeux : l'atmosphère tourne avec le Soleil un peu comme la partie extérieure du carrousel, mais plus vous vous éloignez du centre, plus vous vous déplacez rapidement dans l'espace. Un enfant sur le bord pourrait sauter et, à ce stade, se déplacerait en ligne droite vers l'extérieur, plutôt que de continuer à tourner. De la même manière, il y a un certain point entre le Soleil et la Terre, le vent solaire passe de la rotation avec le Soleil à un écoulement direct vers l'extérieur, ou radialement, comme nous le voyons depuis la Terre.

L'endroit exact où le vent solaire passe d'un flux rotationnel à un flux parfaitement radial a des implications sur la façon dont le Soleil libère de l'énergie. Trouver ce point peut nous aider à mieux comprendre le cycle de vie d'autres étoiles ou la formation de disques protoplanétaires, les disques denses de gaz et de poussière autour de jeunes étoiles qui finissent par fusionner en planètes.

Maintenant, pour la première fois, plutôt que de simplement voir ce flux rectiligne que nous voyons près de la Terre, Parker Solar Probe a pu observer le vent solaire alors qu'il tournait encore. C'est comme si Parker Solar Probe avait une vue directe du carrousel tourbillonnant pour la première fois, pas seulement les enfants qui en sautaient. L'instrument à vent solaire de Parker Solar Probe a détecté une rotation commençant à plus de 20 millions de kilomètres du Soleil, et à mesure que Parker approchait de son point de périhélie, la vitesse de rotation augmentait. La force de la circulation était plus forte que ne l'avaient prédit de nombreux scientifiques, mais elle est également passée plus rapidement que prévu à un flux sortant, ce qui aide à masquer ces effets d'où nous nous asseyons habituellement, à environ 93 millions de kilomètres du Soleil.

"Le grand flux de rotation du vent solaire observé lors des premières rencontres a été une véritable surprise", a déclaré Kasper. "Alors que nous espérions éventuellement voir un mouvement de rotation plus proche du Soleil, les vitesses élevées que nous observons lors de ces premières rencontres sont près de dix fois supérieures à celles prévues par les modèles standard."

Une autre question approchant une réponse est la zone sans poussière insaisissable. Notre système solaire est inondé de poussière – les miettes cosmiques des collisions qui ont formé des planètes, des astéroïdes, des comètes et d'autres corps célestes il y a des milliards d'années. Les scientifiques soupçonnent depuis longtemps que, près du Soleil, cette poussière serait chauffée à des températures élevées par la lumière solaire puissante, la transformant en gaz et créant une région sans poussière autour du Soleil. Mais personne ne l'avait jamais observé.

Pour la première fois, les imageurs de Parker Solar Probe ont vu la poussière cosmique commencer à se diluer. Parce que WISPR - l'instrument d'imagerie de Parker Solar Probe, dirigé par le Naval Research Lab - regarde du côté du vaisseau spatial, il peut voir de larges bandes de la couronne et du vent solaire, y compris des régions plus proches du Soleil. Ces images montrent que la poussière commence à s'amincir à un peu plus de 7 millions de kilomètres du Soleil, et cette diminution de la poussière se poursuit régulièrement jusqu'aux limites actuelles des mesures de WISPR à un peu plus de 4 millions de kilomètres du Soleil.

"Cette zone sans poussière a été prédite il y a des décennies, mais n'a jamais été vue auparavant", a déclaré Russ Howard, chercheur principal de la suite WISPR - abréviation de Wide-field Imager for Solar Probe - au Naval Research Laboratory de Washington, DC " Nous voyons maintenant ce qui arrive à la poussière près du Soleil."

Au rythme de l'amincissement, les scientifiques s'attendent à voir une zone vraiment sans poussière commençant à un peu plus de 2 à 3 millions de kilomètres du Soleil, ce qui signifie que Parker Solar Probe pourrait observer la zone sans poussière dès 2020, lorsque son sixième survol du Soleil le rapprochera plus que jamais de notre étoile.

Mettre la météo spatiale au microscope

Les mesures de Parker Solar Probe nous ont donné une nouvelle perspective sur deux types d'événements météorologiques spatiaux : les tempêtes de particules énergétiques et les éjections de masse coronale.

De minuscules particules, à la fois des électrons et des ions, sont accélérées par l'activité solaire, créant des tempêtes de particules énergétiques. Les événements sur le Soleil peuvent envoyer ces particules dans le système solaire à une vitesse proche de la vitesse de la lumière, ce qui signifie qu'elles atteignent la Terre en moins d'une demi-heure et peuvent avoir un impact sur d'autres mondes sur des échelles de temps tout aussi courtes. Ces particules transportent beaucoup d'énergie, elles peuvent donc endommager l'électronique des engins spatiaux et même mettre en danger les astronautes, en particulier ceux qui se trouvent dans l'espace lointain, en dehors de la protection du champ magnétique terrestre.

Comprendre exactement comment ces particules sont accélérées à des vitesses aussi élevées est crucial. Mais même si elles arrivent sur Terre en aussi peu que quelques minutes, c'est encore assez de temps pour que les particules perdent les signatures des processus qui les ont accélérées en premier lieu. En tournant autour du Soleil à quelques millions de kilomètres seulement, Parker Solar Probe peut mesurer ces particules juste après qu'elles aient quitté le Soleil, jetant ainsi un nouvel éclairage sur la façon dont elles sont libérées.

Déjà, les instruments ISʘIS de Parker Solar Probe, dirigés par l'Université de Princeton, ont mesuré plusieurs événements de particules énergétiques inédits, des événements si petits que toute trace d'entre eux est perdue avant qu'ils n'atteignent la Terre ou l'un de nos satellites géocroiseurs. Ces instruments ont également mesuré un type rare d'éclatement de particules avec un nombre particulièrement élevé d'éléments plus lourds, ce qui suggère que les deux types d'événements peuvent être plus fréquents que les scientifiques ne le pensaient auparavant.

"C'est incroyable, même dans des conditions solaires minimales, le Soleil produit beaucoup plus d'événements de particules énergétiques minuscules que nous ne le pensions", a déclaré David McComas, chercheur principal de la suite d'Integrated Science Investigation of the Sun, ou ISʘIS, à l'Université de Princeton dans le New Jersey. . "Ces mesures nous aideront à démêler les sources, l'accélération et le transport des particules énergétiques solaires et, finalement, à mieux protéger les satellites et les astronautes à l'avenir."

Les données des instruments WISPR ont également fourni des détails sans précédent sur les structures de la couronne et du vent solaire, y compris les éjections de masse coronale, les nuages ​​​​de milliards de tonnes de matière solaire que le Soleil envoie se précipiter dans le système solaire. Les CME peuvent déclencher une série d'effets sur la Terre et d'autres mondes, allant des étincelles d'aurores à l'induction de courants électriques pouvant endommager les réseaux électriques et les pipelines. La perspective unique de WISPR, en regardant à côté de tels événements lorsqu'ils s'éloignent du Soleil, a déjà jeté un nouvel éclairage sur la gamme d'événements que notre étoile peut déclencher.

"Puisque Parker Solar Probe correspondait à la rotation du Soleil, nous pouvions observer la sortie de matière pendant des jours et voir l'évolution des structures", a déclaré Howard. "Les observations près de la Terre nous ont fait penser que les fines structures de la couronne se transforment en un flux régulier, et nous découvrons que ce n'est pas vrai. Cela nous aidera à mieux modéliser la façon dont les événements se déplacent entre le Soleil et la Terre."

Alors que Parker Solar Probe poursuit son voyage, il effectuera 21 approches plus proches du Soleil à des distances de plus en plus rapprochées, culminant en trois orbites à seulement 3,83 millions de miles de la surface solaire.

"Le Soleil est la seule étoile que nous pouvons examiner de près", a déclaré Nicola Fox, directeur de la division héliophysique au siège de la NASA. "L'obtention de données à la source révolutionne déjà notre compréhension de notre propre étoile et des étoiles à travers l'univers. Notre petit vaisseau spatial se bat dans des conditions brutales pour envoyer à la maison des révélations surprenantes et passionnantes."

Les données des deux premières rencontres solaires de Parker Solar Probe sont accessibles au public en ligne.

Parker Solar Probe fait partie du programme Living with a Star de la NASA pour explorer les aspects du système Soleil-Terre qui affectent directement la vie et la société. Le programme Vivre avec une étoile est géré par le Goddard Space Flight Center de l'agence à Greenbelt, Maryland, pour la Direction des missions scientifiques de la NASA à Washington. Johns Hopkins APL a conçu, construit et exploite le vaisseau spatial.


Une raison simple pour laquelle il est si difficile de toucher le soleil

À son approche la plus proche du Soleil, la sonde solaire Parker sera à moins de 4 millions de miles de . [+] it : plus de 89 millions de kilomètres plus près que la Terre ne se rapproche jamais de notre étoile mère.

Studio de visualisation scientifique de la NASA

Le week-end dernier, la NASA a lancé avec succès la sonde solaire Parker : le premier vaisseau spatial qui touchera jamais, avec ses propres instruments, la matière solaire directement à proximité du Soleil lui-même. Cela semble paradoxal : comment a-t-il pu être si difficile d'entrer en collision avec la source de 99,8 % de la masse de notre système solaire ? C'est la source gravitationnelle la plus puissante depuis de nombreuses années-lumière dans toutes les directions, et tout dans le système solaire, y compris la planète Terre elle-même, est en orbite autour du Soleil.

Pourtant, rien de ce qui a jamais été lancé depuis la Terre, que ce soit naturellement ou artificiellement, n'est jamais entré en contact avec le Soleil. La Parker Solar Probe sera la première absolue. Il y a une explication simple pour laquelle cela ne s'est jamais produit auparavant et pourquoi il a fallu tant de planification pour que cela se produise. La raison? Première loi du mouvement de Newton.

La fusée United Launch Alliance Delta IV Heavy lance la sonde solaire Parker de la NASA pour toucher le Soleil. [+] du Launch Complex 37 à la base aérienne de Cape Canaveral le 12 août 2018 à Cape Canaveral, en Floride. Parker Solar Probe est la toute première mission de l'humanité dans une partie de l'atmosphère du Soleil appelée la couronne. (Bill Ingalls/NASA via Getty Images)

Formulé au milieu du XVIIe siècle, la première loi de Newton est très simple. Il est dit:

  • un objet au repos reste au repos,
  • et un objet en mouvement reste en mouvement constant,
  • à moins qu'une force extérieure n'agisse dessus.

Nous sommes habitués à ce que cela s'applique aux mouvements en ligne droite, comme une rondelle de hockey glissant sur une surface glacée. Mais la loi de Newton, comme toutes les lois de la physique, devrait s'appliquer dans toutes sortes de circonstances. Même, dans ce cas, si le mouvement constant est sur une orbite elliptique autour du Soleil.

D'innombrables tests scientifiques de la théorie de la relativité générale d'Einstein ont été effectués. [+] soumettant l'idée à certaines des contraintes les plus strictes jamais obtenues par l'humanité. La première solution d'Einstein concernait la limite de champ faible autour d'une seule masse, comme le Soleil, il a appliqué ces résultats à notre système solaire avec un succès spectaculaire. Nous pouvons voir cette orbite comme la Terre (ou n'importe quelle planète) étant en chute libre autour du Soleil, se déplaçant en ligne droite dans son propre cadre de référence.

Collaboration scientifique LIGO / T. Pyle / Caltech / MIT

« Attendez », je peux vous entendre objecter, « la gravité est une force extérieure, et donc ce n'est pas vraiment un mouvement constant ! »

Et c'est une objection raisonnable, si la seule façon de penser le mouvement était en termes de mouvements linéaires. Le mouvement en ligne droite est le type de mouvement le plus simple, et c'est ainsi que nous apprenons normalement les lois de Newton. Pousser ou tirer quelque chose et il accélère, enlève toutes les forces externes et il reste en mouvement constant. Mais il existe un autre type de mouvement possible : le mouvement angulaire (ou rotationnel). Et dans le cas particulier de tout ce qui provient de la Terre, cela inclut notre mouvement autour du Soleil. Bien que la sonde solaire Parker puisse être conçue pour mesurer de nombreux aspects du Soleil, nous devons nous en rapprocher beaucoup plus que jamais auparavant, ce qui signifie changer notre mouvement angulaire.

Le vent solaire et la couronne solaire sont mal connus depuis très longtemps, mais de nombreuses avancées. [+] ont eu lieu depuis le milieu du 20e siècle. Avec le Parker Solar Probe, de nombreuses idées de longue date peuvent enfin être testées, mais uniquement en pénétrant dans la couronne solaire elle-même.

Studio de visualisation scientifique de la NASA

Lorsque nous effectuons la transformation de la pensée en ligne droite à la pensée en termes de rotations et d'orbites, nous devons également passer du moment linéaire au moment angulaire. Alors que le moment linéaire n'est que la masse d'un objet multipliée par sa vitesse, le moment angulaire est le moment linéaire multiplié par la distance orbitale de cet objet par rapport à son orbite. Tant que la direction du mouvement est perpendiculaire à la ligne que vous traceriez de l'objet (comme la Terre) à l'objet en orbite (comme le Soleil), cela fonctionne simplement et parfaitement.

Orbites de la Terre et de Mars, à l'échelle, vues depuis la direction nord du système solaire. Chaque planète. [+] balaie une quantité égale de surface en des temps égaux, conformément à la deuxième loi de Kepler, grâce à la conservation du moment cinétique.

Utilisateur de Wikimedia Commons Areong

La première loi de Newton, pour les mouvements rectilignes, nous dit que la quantité de mouvement est toujours conservée et que la seule façon de changer cette quantité de mouvement est d'avoir une force externe. Pour les mouvements de type orbital, alors, cela nous dit que le moment angulaire est toujours conservé et que la seule façon de le changer est d'avoir un couple externe, qui est une force agissant pour changer ce mouvement de rotation.

Pour tout ce qui se trouve sur Terre, nous nous déplaçons à une vitesse typique de 18,5 miles par seconde (30 km/s) en orbite autour du Soleil, et nous le faisons à une distance typique de 93 millions de miles (150 millions de km) du Soleil. La quantité de moment angulaire que nous avons est énorme, et il n'y a pas de moyen facile de s'en débarrasser.

Les planètes se déplacent sur les orbites qu'elles font, de manière stable, en raison de la conservation de l'angle . [+] élan. N'ayant aucun moyen de gagner ou de perdre du moment angulaire, ils restent dans leurs orbites elliptiques arbitrairement loin dans le futur.

En fait, nous ne connaissons que deux façons, au sein du système solaire, de modifier votre moment angulaire :

  1. Apportez du carburant pour fusée et brûlez-le, provoquant votre propre accélération (équilibrée par l'accélération égale et opposée du carburant), ou
  2. Utilisez une assistance gravitationnelle pour vous accélérer/décélérer par rapport au Soleil.

La sonde solaire Parker, pour fonctionner, doit s'approcher à seulement 6 millions de km du Soleil à sa distance minimale, afin de « toucher » et mesurer la couronne solaire : une région surchauffée de plasma normalement visible uniquement pendant une durée totale éclipse solaire.

Le Soleil éclipsé, la couronne visible et les teintes rougeâtres autour des bords de l'ombre de la Lune — . [+] ainsi que des êtres humains ravis de crainte – étaient parmi les vues les plus spectaculaires de l'éclipse totale de 2017. La couronne du Soleil n'est généralement pas visible autrement.

Cela nécessite de perdre un parcelle du moment angulaire. Le Parker Solar Probe est présenté comme l'objet le plus rapide jamais lancé par l'humanité, et c'est parce qu'il doit l'être. Sa rampe de lancement est la planète Terre, qui orbite autour du Soleil à une vitesse à peu près constante de 18,5 miles par seconde (30 km/s), ce qui correspond à environ 67 000 mph (108 000 km/h). La quantité de carburant que nous devrions dépenser pour ralentir cette vitesse afin que nous puissions tomber plus près du Soleil, dans une orbite intérieure, est prohibitive et coûteuse.

Au lieu de cela, nous avons besoin d'une série d'assistances gravitationnelles, ou de frondes gravitationnelles, pour essayer de changer notre orbite. Ce n'est qu'en impliquant un troisième objet - comme une autre planète - que nous pouvons gagner ou perdre le moment angulaire nécessaire par rapport au système engin spatial-Soleil.

La mission Messenger a duré sept ans et un total de six assistances gravitationnelles et cinq dans l'espace lointain. [+] manœuvres pour atteindre sa destination finale : en orbite autour de la planète Mercure. La Parker Solar Probe devra faire encore plus pour atteindre sa destination finale : la couronne solaire.

Nous l'avons déjà fait plusieurs fois dans nos tentatives pour atteindre à la fois le système solaire intérieur et extérieur. Le vaisseau spatial Messenger, qui a été lancé en 2004, a survolé la Terre une fois, puis s'est donné un coup de pouce avec une fusée brûlée pour voler par Vénus, ce qu'il a fait deux fois, puis à nouveau brûlé pour atteindre Mercure, et après trois survols mercuriens au total suivi d'une brûlure), il est entré en orbite autour de Mercure en 2011.

La sonde solaire Parker adoptera une approche analogue, utilisant Vénus comme principal outil d'assistance gravitationnelle. Il survolera sept fois la planète la plus chaude de notre système solaire, afin de créer une orbite elliptique lui permettant de s'approcher à moins de 6,1 millions de kilomètres du Soleil.

Il ne suffit pas d'une série d'instruments intelligents pour mesurer le Soleil de près, bien que la sonde solaire Parker en ait. Il ne suffit pas d'avoir un épais bouclier en composite de carbone pour résister au rayonnement et aux températures incroyables présents à proximité du Soleil, bien que la sonde solaire Parker en ait aussi. Cela nécessite également un plan incroyablement complexe et complexe pour vous insérer dans une orbite stable capable de vous rapprocher du Soleil comme jamais auparavant.

Les questions scientifiques auxquelles répondra la sonde solaire Parker ne peuvent être résolues que . [+] de sa future position extrêmement proche du Soleil : à moins de 6,1 millions de kilomètres du Soleil lui-même.

Studio de visualisation scientifique de la NASA

Toucher le Soleil est une réalisation technique remarquable qui se concrétisera enfin dans quelques années seulement.Le lancement a été un succès, et les prochaines années d'assistance gravitationnelle et quelques manœuvres dans l'espace lointain devraient nous rapprocher du Soleil comme jamais auparavant. Après soixante ans de théorisation, est enfin prêt à répondre à une multitude de questions scientifiques brûlantes sur notre étoile la plus proche et les étoiles en général. Ce vaisseau spatial est peut-être voué à finir par brûler en raison de ses passages rapprochés répétés à travers la couronne solaire, mais il a été conçu pour survivre à au moins trois "touches" réussies du Soleil. Ce sera la première fois que nous envoyons quelque chose de la Terre aussi près du Soleil. Et ce n'est que grâce à un plan de vol remarquable, où nous perdons suffisamment de notre moment angulaire, que cette mission a une chance de réussir.