La mission Cluster découvre que les électrons énergétiques sont accélèrés par reconnexion non stationnaire

Jeudi, 1 août 2013

Une équipe internationale, dont un chercheur du Laboratoire de Physique des Plasmas (LPP-CNRS/École Polytechnique/UPMC/Université Paris -Sud), a montré que lors de reconnexion non stationnaire le processus peut être très efficace, accélérant les électrons jusqu'à plusieurs centaines de keV. Cette découverte a été faite grâce aux observations in situ de la mission Cluster1 de l’Agence Spatiale Européenne dont les satellites étaient alors situés dans la queue géomagnétique de la Terre (Figure 1a). Ces résultats font l’objet d’une publication dans la revue Nature Physics.


Figure 1 Vue schématique de la reconnexion dans la queue magnétique terrestre. Dans le cas de reconnexion non stationnaire, ou « impulsive », la vitesse des jets change dans le temps produisant alors les conditions pour l’accélération des électrons énergétiques. Crédits H.S. Fu et al.

L’étude des mécanismes d’accélération des particules énergétiques dans l’espace est cruciale pour comprendre nombre de phénomènes astrophysiques tels que le rayonnement cosmique ou les éruptions  qui se produisent dans les atmosphères stellaires (comme les éruptions solaires). Ces particules sont aussi importantes dans l’environnement spatial à proximité de la Terre, notamment les électrons, car ceux-ci peuvent par exemple endommager les satellites ou empêcher les sorties dans l’espace des astronautes.

La question de savoir par quel(s) mécanisme(s) ces électrons sont accélérés n’est pas  nouvelle. Les scientifiques qui travaillent dans le domaine de la physique des magnétosphères planétaires et de l’atmosphère solaire ont suggéré depuis longtemps que c’est la reconnexion magnétique qui accélère ces électrons, cependant le mécanisme exact d’accélération n'a pas été entièrement compris.

Figure 2 Données de Cluster in situ qui démontrent l’accélération des électrons énergétiques jusqu'à plusieurs centaines de keV (deuxième panneau en partant du bas) dans les jets de reconnexion (troisième panneau en partant du bas). La mesure directe de l’anisotropie des électrons par rapport à la direction du champ magnétique (panneau du bas) est cruciale pour identifier les mécanismes d’accélération bétatron (direction parallèle) et Fermi (direction parallèle/antiparallèle). Crédits H.S. Fu et al. Pendant cette reconnexion non stationnaire, l’accélération se produit dans les jets de reconnexion, due à la compression (mécanisme bêtatron) et au raccourcissement (mécanisme Fermi) des tubes de flux magnétique (Figure 1b,c). Les données à très haute résolution temporelle des caractéristiques détaillées des fonctions de distribution des particules (flux en fonction de l’énergie et de la direction) fournies par les satellites Cluster ont joué un rôle crucial pour cette découverte, car elles ont permis de mesurer directement l’anisotropie de température des fonctions de distribution des électrons qui est le déclencheur de l’accélération bêtatron et Fermi (Figure 2). Ces observations expliquent aussi la raison pour la quelle les électrons énergétiques sont souvent observés dans les magnétosphères planétaires et la couronne solaire, où la reconnexion est fortement non stationnaire mais le sont rarement dans le vent solaire où la reconnexion est typiquement stable

Ces observations faites par Cluster peuvent aider à mieux comprendre l’accélération des particules dans des environnements astrophysiques lointains tels que les jets astrophysiques ou les atmosphères stellaires, où les mesures in situ ne sont pas disponibles.

Note(s): 
  1. Cluster : constellation de quatre satellites en configuration tétraédrique sur une orbite très excentrique autour de la Terre (http://sci.esa.int/cluster/). Projet ESA en collaboration avec la NASA. La mission a été récemment prolongée jusqu’en 2016 par l’ESA : http://smsc.cnes.fr/CLUSTER/Fr/
Pour en savoir plus: 
Source(s): 
Contact(s):
  • Alessandro Retino, Laboratoire de Physique des Plasmas (LPP-CNRS/École Polytechnique/UPMC/Université Paris Sud)
    alessandro [dot] retino [at] lpp [dot] polytechnique [dot] fr, 01 69 33 59 29

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