Le vaisseau spatial Solar Orbiter attrape une deuxième comète par la queue

Pour un vaisseau spatial conçu pour mener des études uniques sur le Soleil, Solar Orbiter se fait également un nom dans l’exploration des comètes. Pendant plusieurs jours, centrés sur 1200-1300 UT le 17 décembre 2021, le vaisseau spatial s’est retrouvé à voler dans la queue de la comète C/2021 A1 Leonard.

Un composite d’images de la comète Leonard capturées les 15 et 16 décembre 2021 en lumière visible par l’instrument Metis à bord du vaisseau spatial Solar Orbiter de l’ESA/NASA. La comète a traversé le champ de vision avec ses queues de poussière et d’ions dirigées vers l’instrument. Crédit : ESA/Solar Orbiter/Metis Team

La rencontre a permis de capturer des informations sur les particules et le champ magnétique présents dans la queue de la comète. Cela permettra aux astronomes d’étudier la manière dont la comète interagit avec le vent solaire, un vent variable de particules et de champ magnétique qui émane du Soleil et balaie le système solaire.

Le croisement avait été prédit par Samuel Grant, un étudiant de troisième cycle au Mullard Space Science Laboratory de l’University College de Londres. Il a adapté un programme informatique existant qui comparait les orbites des vaisseaux spatiaux à celles des comètes afin d’inclure les effets du vent solaire et sa capacité à former la queue d’une comète.

Cette série de graphiques représente les données recueillies par le capteur d’ions lourds de l’analyseur de vent solaire lors du passage de la sonde Solar Orbiter de l’ESA/NASA dans la queue de la comète Leonard en décembre 2021. Les données couvrent la période du 11 au 20 décembre. Le premier et le dernier tracé, respectivement avant et après le passage de la queue, sont marqués par l’absence d’ions singulièrement ionisés. Pendant le passage de la queue, l’instrument a détecté des particules qui sont attribuables à la comète plutôt qu’au vent solaire, par exemple des ions d’oxygène, de carbone et d’azote moléculaire, et des molécules de monoxyde de carbone, de dioxyde de carbone et d’eau. (Les ions sont des atomes ou des molécules qui ont été dépouillés d’un ou plusieurs électrons et qui portent désormais une charge électrique positive nette). Crédit : ESA/Solar Orbiter/équipe SWA

“Je l’ai fait tourner avec la comète Leonard et Solar Orbiter avec quelques estimations de la vitesse du vent solaire. Et c’est là que j’ai vu que même pour une gamme assez large de vitesses du vent solaire, il semblait y avoir un croisement”, dit-il.

Au moment du croisement, Solar Orbiter était relativement proche de la Terre. Il était passé le 27 novembre 2021 pour une manœuvre d’assistance gravitationnelle qui marquait le début de la phase scientifique de la mission et plaçait le vaisseau spatial sur la voie de son approche du Soleil en mars 2022. Le noyau de la comète se trouvait à 44,5 millions de kilomètres, près de la planète. Vénusmais sa queue géante s’étendait dans l’espace jusqu’à l’orbite de la Terre et au-delà.

Ce graphique utilise les données de vitesse et de direction du vent solaire fournies par le capteur de protons et d’ondes alpha de l’analyseur de vent solaire (SWA-PAS) pour estimer la distance entre la sonde Solar Orbiter de l’ESA/NASA et le centre de la queue ionique de la comète C/2021 A1 Leonard en décembre 2021. Le graphique indique à quelle distance chaque paquet de vent solaire détecté par SWA-PAS est censé s’être approché du noyau de la comète au cours de son voyage entre le Soleil et le vaisseau spatial. L’axe de gauche donne l’échelle en unités astronomiques (au), où 1 au est la distance entre le Soleil et la Terre, et la même distance est indiquée en kilomètres sur l’axe de droite.
Les changements de vitesse et de direction du vent solaire sont responsables des variations de la distance représentée. Il y a de courtes lacunes dans l’acquisition des données les 15 et 17 décembre. Crédit : ESA/Solar Orbiter/SWA team & ; S. Grant (UCL)

Jusqu’à présent, la meilleure détection de la queue de la comète depuis Solar Orbiter est venue de la suite d’instruments SWA (Solar Wind Analyser). Son capteur d’ions lourds (HIS) a clairement mesuré des atomes, des ions et même des molécules qui sont attribuables à la comète plutôt qu’au vent solaire.

Les ions sont des atomes ou des molécules qui ont été dépouillés d’un ou plusieurs électrons et qui portent maintenant une charge électrique positive nette. SWA-HIS a détecté des ions d’oxygène, de carbone, d’azote moléculaire, et des molécules de monoxyde de carbone, de dioxyde de carbone et peut-être d’eau. “En raison de leur faible charge, ces ions sont tous clairement d’origine cométaire”, déclare Stefano Livi, chercheur principal de SWA-HIS, du Southwest Research Institute, au Texas.

Un composite d’images de la comète Leonard capturées les 15 et 16 décembre 2021, en lumière ultraviolette par l’instrument Metis à bord du vaisseau spatial Solar Orbiter de l’ESA/NASA. La comète a traversé le champ de vision avec ses queues de poussières et d’ions pointant vers l’horizon.instrument. Crédit : ESA/Solar Orbiter/Metis Team

Lorsqu’une comète se déplace dans l’espace, elle a tendance à draper le champ magnétique du Soleil autour d’elle. Ce champ magnétique est transporté par le vent solaire, et le drapage crée des discontinuités où la polarité du champ magnétique change brusquement du nord au sud et vice versa.

Les données de l’instrument magnétométrique (MAG) suggèrent effectivement la présence de telles structures de champ magnétique drapé, mais il reste encore des analyses à faire pour en être absolument sûr. “Nous sommes en train d’étudier certaines perturbations magnétiques à plus petite échelle observées dans nos données et de les combiner avec les mesures des capteurs de particules de Solar Orbiter pour comprendre leur possible origine cométaire”, explique Lorenzo Matteini, co-investigateur de MAG à l’Imperial College de Londres.

En plus des données sur les particules, Solar Orbiter a également acquis des images.

Metis est le coronographe multi-longueurs d’onde de Solar Orbiter. Il peut effectuer des observations dans l’ultraviolet, où l’on voit l’émission Lyman alpha émise par l’hydrogène, et il peut mesurer la polarisation de la lumière visible. Les 15 et 16 décembre, il a capturé la tête distante de la comète simultanément en lumière visible et ultraviolette. Ces images sont actuellement analysées par l’équipe de l’instrument. “Les images en lumière visible peuvent donner une idée de la vitesse à laquelle la comète éjecte la poussière, tandis que les images en ultraviolet peuvent donner le taux de production d’eau”, explique Alain Corso, co-investigateur de Metis au CNR-Istituto di Fotonica e Nanotecnologie, à Padoue, en Italie.

L’imageur héliosphérique de l’orbiteur solaire (SoloHI) a également capturé des données. Ces images montrent de grandes parties de la queue ionique de la comète prises alors que le vaisseau spatial lui-même se trouvait à l’intérieur de la queue. Au fur et à mesure que la séquence d’images progresse, on peut observer des changements dans la queue en réponse aux variations de la vitesse et de la direction du vent solaire.

Et Solar Orbiter n’était pas le seul à observer le croisement. L’ESA/NASA SOHO et les sondes STEREO-A et Parker Solar Probe de la NASA ont observé de loin. Cela signifie que non seulement les astronomes disposent maintenant de données provenant de l’intérieur de la queue, mais aussi d’images contextuelles provenant de ces autres engins spatiaux (voir les images ci-dessus).

Le vaisseau spatial SOHO a détecté la comète Leonard dans son instrument SWAN (Solar Wind Anisotropies) en Lyman-alpha. SWAN ne regarde pas directement le Soleil, il cartographie plutôt l’ensemble du ciel en lumière ultraviolette, et voit l’hydrogène interstellaire qui interagit avec le vent solaire. Les cartes peuvent être utilisées pour révéler des points lumineux en lumière ultraviolette indiquant la présence d’une comète, par exemple, comme c’est le cas ici. Crédit : SOHO (ESA & ; NASA) ; W. Boonplod

Les croisements de queue de comète sont des événements relativement rares. Parmi ceux qui ont été détectés, la plupart n’ont été remarqués qu’après l’événement. La mission Ulysses de l’ESA/NASA a rencontré trois queues de comètes ionisées, dont celle de C/1996 B2 Hyakutake en mai 1996, et C/2006 P1 McNaught au début de 2007. Solar Orbiter a lui-même croisé la queue de la comète fragmentée C/2019 Y4 ATLAS en mai et juin 2020, peu après son lancement.

Alors que les premiers croisements ont été une surprise, les deux rencontres de Solar Orbiter ont été prédites à l’avance grâce au code informatique développé par Geraint Jones, du Mullard Space Science Laboratory de l’University College de Londres, et étendu par Samuel.

“Le grand avantage est que, sans aucun effort de la part du vaisseau spatial, vous pouvez échantillonner une comète à une distance considérable. C’estC’est assez excitant”, déclare Samuel, qui étudie maintenant les données d’archives d’autres vaisseaux spatiaux à la recherche de passages de queue de comète qui sont passés inaperçus jusqu’à présent.

Ce travail permet également d’acquérir de l’expérience pour La mission Comet Interceptor de l’ESA.pour laquelle Geraint est le chef de l’équipe scientifique. La mission se rendra sur une comète encore inconnue et effectuera un survol de la cible à l’aide de trois engins spatiaux afin de créer un profil 3D d’un objet “dynamiquement nouveau” contenant des matériaux non transformés datant de l’aube du système solaire.

Le vaisseau spatial Solar Orbiter de l’ESA/NASA a traversé la queue de la comète C/2021 A1 Leonard en décembre 2021, recueillant des images et des données in-situ sur le vent solaire et les particules. Au même moment, SOHO (ESA/NASA), Parker Solar Probe (NASA) et STEREO-A (NASA) ont également observé l’évolution de la comète sous d’autres angles. Le graphique montre les positions relatives approximatives des planètes, de la comète et des vaisseaux spatiaux le 17 décembre 2021, et n’est pas à l’échelle. Des champs de vision très approximatifs sont indiqués pour certains instruments : SoloHI sur Solar Orbiter et SECCHI sur STEREO-A. Crédit : G. Jones & ; S. Grant (UCL)

Pendant ce temps, les équipes d’instruments sur Solar Orbiter sont occupées à analyser les données de la comète Leonard, non seulement pour ce qu’elles peuvent leur apprendre sur la comète, mais aussi sur le vent solaire.

“Ce type d’activités scientifiques supplémentaires est toujours une partie passionnante d’une mission spatiale”, déclare Daniel Müller, responsable scientifique du projet Solar Orbiter à l’ESA. “Lorsque le passage de la comète ATLAS a été prévu, nous étions encore en train de calibrer le vaisseau spatial et ses instruments. De plus, la comète s’est fragmentée juste avant notre arrivée. Mais avec la comète Leonard, nous étions totalement prêts – et la comète ne s’est pas fragmentée.”

Solar Orbiter. Crédit : ESA/ATG medialab

En mars, Solar Orbiter effectuera son passage le plus proche du Soleil à une distance de 0,32 au (environ un tiers de la distance Terre-Soleil, soit environ 50 millions de kilomètres). Il s’agit de l’un des quelque 20 passages rapprochés du Soleil qui auront lieu au cours de la prochaine décennie. Ces passages permettront d’obtenir des images et des données sans précédent, non seulement de très près, mais aussi des régions polaires du Soleil, jamais vues auparavant.

“Il y a tellement de choses à attendre de Solar Orbiter, nous ne faisons que commencer”, déclare Daniel.