Les ceintures de radiation de Van Allen ont un accélérateur de particules

Les scientifiques ont découvert un accélérateur de particules massif au cœur de l'une des régions les plus dures de l'espace proche de la Terre, une région de particules chargées superénergétiques entourant le globe appelée les ceintures de radiation de Van Allen. Les scientifiques savaient que quelque chose dans l'espace accélérait les particules dans les ceintures de radiation à plus de 99% de la vitesse de la lumière, mais ils ne savaient pas ce que c'était. De nouveaux résultats des sondes Van Allen de la NASA montrent maintenant que l'énergie d'accélération provient de l'intérieur des ceintures elles-mêmes. Les particules à l'intérieur des ceintures sont accélérées par des poussées d'énergie locales, secouant les particules à des vitesses toujours plus rapides, un peu comme une poussée parfaitement synchronisée sur une balançoire en mouvement.

La découverte que les particules sont accélérées par une source d'énergie locale s'apparente à la découverte que les ouragans se développent à partir d'une source d'énergie locale, telle qu'une région d'eau chaude de l'océan. Dans le cas des ceintures de rayonnement, la source est une région d'ondes électromagnétiques intenses, captant l'énergie d'autres particules situées dans la même région. Connaître l'emplacement de l'accélération aidera les scientifiques à améliorer les prévisions météorologiques spatiales, car les changements dans les ceintures de radiation peuvent être risqués pour les satellites proches de la Terre. Les résultats ont été publiés dans le magazine Science le 25 juillet 2013.

Des observations récentes des sondes jumelles Van Allen de la NASA montrent que les particules dans les ceintures de radiations entourant la Terre sont accélérées par un coup d'énergie local, ce qui aide à expliquer comment ces particules atteignent des vitesses de 99 % de la vitesse de la lumière. Crédit d'image : G. Reeves/M. Henderson

Afin que les scientifiques comprennent mieux les ceintures, les sondes Van Allen ont été conçues pour voler directement à travers cette zone intense de l'espace. Lorsque la mission a été lancée en août 2012, elle avait pour objectifs de haut niveau de comprendre comment les particules dans les ceintures sont accélérées à des énergies ultra-élevées et comment les particules peuvent parfois s'échapper. En déterminant que cette accélération ultrarapide provient de ces poussées d'énergie locales, par opposition à un processus plus global, les scientifiques ont pu pour la première fois répondre définitivement à l'une de ces questions importantes.

'C'est l'un des résultats les plus attendus et les plus excitants des sondes Van Allen', a déclaré David Sibeck, scientifique du projet Van Allen Probes au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland. 'Cela va au cœur de la raison pour laquelle nous avons lancé le mission.'

Les ceintures de radiation ont été découvertes lors du lancement des tout premiers satellites américains réussis envoyés dans l'espace, Explorers I et III. On s'est rapidement rendu compte que les ceintures étaient parmi les environnements les plus dangereux qu'un vaisseau spatial puisse rencontrer. La plupart des orbites des satellites sont choisies pour se cacher sous les ceintures de rayonnement ou en cercle à l'extérieur d'elles, et certains satellites, tels que les engins spatiaux GPS, doivent fonctionner entre les deux ceintures. Lorsque les ceintures gonflent en raison de la météo spatiale entrante, elles peuvent englober ces engins spatiaux, les exposant à des radiations dangereuses. En effet, un nombre important de pannes permanentes sur les engins spatiaux ont été causées par des rayonnements. Avec suffisamment d'avertissement, nous pouvons protéger la technologie des pires conséquences, mais un tel avertissement ne peut être atteint que si nous comprenons vraiment la dynamique de ce qui se passe à l'intérieur de ces mystérieuses ceintures.

'Jusqu'aux années 1990, nous pensions que les ceintures de Van Allen se comportaient plutôt bien et changeaient lentement', a déclaré Geoff Reeves, premier auteur de l'article et scientifique des ceintures de radiation au Laboratoire national de Los Alamos à Los Alamos, NM 'Avec plus et plus de mesures, cependant, nous avons réalisé à quel point les ceintures de radiation ont changé rapidement et de manière imprévisible. Ils ne sont fondamentalement jamais en équilibre, mais dans un état constant de changement.

En fait, les scientifiques ont réalisé que les ceintures ne changent même pas de manière cohérente en réponse à ce qui semble être des stimuli similaires. Certaines tempêtes solaires ont fait s'intensifier les ceintures ; d'autres ont entraîné l'épuisement des ceintures, et certains semblaient n'avoir presque aucun effet. Ces effets disparates d'événements apparemment similaires suggèrent que cette région est beaucoup plus mystérieuse qu'on ne le pensait auparavant. Pour comprendre - et éventuellement prédire - quelles tempêtes solaires intensifieront les ceintures de radiation, les scientifiques veulent savoir d'où vient l'énergie qui accélère les particules.

Les sondes jumelles de Van Allen ont été conçues pour faire la distinction entre deux grandes possibilités quant aux processus qui accélèrent les particules à des vitesses aussi étonnantes : l'accélération radiale ou l'accélération locale. En accélération radiale, les particules sont transportées perpendiculairement aux champs magnétiques qui entourent la Terre, des zones de faible force magnétique éloignées de la Terre aux zones de forte force magnétique plus proches de la Terre. Les lois de la physique dictent que la vitesse des particules dans ce scénario s'accélérera lorsque la force du champ magnétique augmente. Ainsi, la vitesse augmenterait à mesure que les particules se déplaceraient vers la Terre, de la même manière qu'un rocher dévalant une colline prend de la vitesse simplement en raison de la gravité. La théorie de l'accélération locale postule que les particules tirent de l'énergie d'une source d'énergie locale plus similaire à la façon dont l'eau chaude de l'océan engendre un ouragan au-dessus d'elle.

Deux bandes de particules entourant la Terre, appelées ceintures de radiations, sont l'un des plus grands accélérateurs naturels du système solaire, capables de pousser les particules jusqu'à 99 % de la vitesse de la lumière. Les Van Allen Probes lancées en août 2012, ont maintenant découvert les mécanismes derrière cette accélération. Crédit d'image : NASA/Goddard/Studio de visualisation scientifique

Pour aider à distinguer ces possibilités, les sondes Van Allen se composent de deux engins spatiaux. Avec deux séries d'observations, les scientifiques peuvent mesurer simultanément les particules et les sources d'énergie dans deux régions de l'espace, ce qui est crucial pour distinguer les causes qui se produisent localement ou qui viennent de loin. De plus, chaque vaisseau spatial est équipé de capteurs pour mesurer l'énergie et la position des particules et déterminer l'angle de tangage, c'est-à-dire l'angle de mouvement par rapport aux champs magnétiques de la Terre. Tous ces éléments changeront de différentes manières en fonction des forces agissant sur eux, aidant ainsi les scientifiques à faire la distinction entre les théories.

Équipés de ces données, Reeves et son équipe ont observé une augmentation rapide de l'énergie des électrons à haute énergie dans les ceintures de rayonnement le 9 octobre 2012. Si l'accélération de ces électrons se produisait en raison du transport radial, on mesurerait les effets commençant d'abord loin de la Terre et se déplaçant vers l'intérieur en raison de la forme et de la force des champs environnants. Dans un tel scénario, les particules se déplaçant à travers les champs magnétiques sautent naturellement de l'un à l'autre dans une cascade similaire, accumulant de la vitesse et de l'énergie en cours de route - en corrélation avec ce scénario de roches dévalant une colline.

Mais les observations n'ont pas montré une intensification qui s'est formée plus loin de la Terre et s'est progressivement déplacée vers l'intérieur. Au lieu de cela, ils ont montré une augmentation d'énergie qui a commencé juste au milieu des ceintures de rayonnement et s'est progressivement propagée à la fois vers l'intérieur et vers l'extérieur, impliquant une source d'accélération locale.

'Dans ce cas particulier, toute l'accélération a eu lieu en environ 12 heures', a déclaré Reeves. 'Avec les mesures précédentes, un satellite n'aurait pu traverser un tel événement qu'une seule fois et ne pas avoir la chance d'assister aux changements qui se produisent réellement. Avec les sondes Van Allen, nous avons deux satellites et pouvons donc observer comment les choses changent et où ces changements commencent.

Les scientifiques pensent que ces nouveaux résultats conduiront à de meilleures prédictions de la chaîne complexe d'événements qui intensifient les ceintures de radiations à des niveaux pouvant désactiver les satellites. Alors que les travaux montrent que l'énergie locale provient des ondes électromagnétiques qui parcourent les ceintures, on ne sait pas exactement quelles ondes pourraient en être la cause. Au cours de l'ensemble d'observations décrites dans l'article, les sondes de Van Allen ont observé un type spécifique d'onde appelée ondes de chorus en même temps que les particules étaient accélérées, mais davantage de travail doit être fait pour déterminer la cause et l'effet.

'Ce document permet de différencier deux solutions générales', a déclaré Sibeck. « Cela montre que l'accélération peut se produire localement. Maintenant, les scientifiques qui étudient les ondes et les champs magnétiques vont intervenir pour faire leur travail et découvrir quelle onde a fourni la poussée. »

Heureusement, une telle tâche sera également facilitée par les sondes Van Allen, qui ont également été soigneusement conçues pour mesurer et distinguer les nombreux types d'ondes électromagnétiques.

'Lorsque les scientifiques ont conçu la mission et l'instrumentation des sondes, ils ont examiné les inconnues scientifiques et ont déclaré:' C'est une excellente occasion de débloquer des connaissances fondamentales sur la façon dont les particules sont accélérées '', a déclaré Nicola J. Fox, scientifique adjoint du projet. au laboratoire de physique appliquée de l'Université Johns Hopkins à Laurel, dans le Maryland. « Avec cinq suites identiques d'instruments à bord d'engins spatiaux jumeaux - chacun avec une large gamme de détection de particules, de champs et d'ondes - nous avons la meilleure plate-forme jamais créée pour mieux comprendre ce problème critique. région de l'espace au-dessus de la Terre.

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