Une illustration de l’héliosphère bombardée de rayons cosmiques provenant de l’extérieur de notre système solaire. Crédit: Goddard Space Flight Center/Laboratoire d’images conceptuelles de la NASA
Notre coin de l’univers, le système solaire, est niché à l’intérieur du voie Lactée galaxie, qui abrite plus de 100 milliards d’étoiles. Le système solaire est enfermé dans une bulle appelée l’héliosphère, qui nous sépare de la vaste galaxie au-delà – et d’une partie de son rayonnement spatial dur.
Nous sommes protégés de ce rayonnement par l’héliosphère, qui elle-même est créée par une autre source de rayonnement : le Soleil. Le Soleil crache constamment des particules chargées, appelées vent solaire, depuis sa surface. Le vent solaire souffle à environ quatre fois la distance de Neptune, emportant avec lui le champ magnétique du Soleil.
L’héliosphère dans la galaxie de la Voie lactée. Crédit : Centre de vol spatial Goddard de la NASA/Laboratoire d’images conceptuelles/Walt Feimer
“Les champs magnétiques ont tendance à se pousser les uns contre les autres, mais pas à se mélanger”, a déclaré Eric Christian, chercheur principal sur l’héliosphère à Nasa‘s Goddard Space Flight Center à Greenbelt, Maryland. « À l’intérieur de la bulle de l’héliosphère se trouvent à peu près toutes les particules et les champs magnétiques du Soleil. Dehors, il y a ceux de la galaxie.
Pour comprendre l’héliosphère, commencez par séparer le mot, suggère David McComas, professeur de sciences astrophysiques à université de Princeton dans le New Jersey. « Héliosphère » est la combinaison de deux mots : « Hélios », le mot grec pour le Soleil, et « sphère », une vaste région d’influence (bien que, pour être clair, les scientifiques ne sont pas sûrs de la forme exacte de l’héliosphère).
L’héliosphère a été découverte dans le fin des années 50, et de nombreuses questions subsistent à son sujet. Au fur et à mesure que les scientifiques étudient l’héliosphère, ils en apprennent davantage sur la manière dont elle réduit l’exposition des astronautes et des engins spatiaux aux rayonnements et, plus généralement, sur la manière dont les étoiles peuvent influencer leurs planètes voisines.
Un ballon dans l’espace
Des radiations nous entourent chaque jour. Lorsque nous prenons un bain de soleil, nous nous prélassons dans le rayonnement du Soleil. Nous utilisons des rayonnements pour réchauffer les restes dans les micro-ondes de notre cuisine et en dépendons pour l’imagerie médicale.
Le rayonnement spatial, cependant, est plus similaire au rayonnement libéré par des éléments radioactifs comme l’uranium. Le rayonnement spatial qui nous vient d’autres étoiles est appelé rayonnement cosmique galactique (GCR). Les zones actives de la galaxie – comme les supernovae, les trous noirs et les étoiles à neutrons – peuvent retirer les électrons des atomes et accélérer les noyaux à presque la vitesse de la lumière, produisant un GCR.
L’héliosphère change de taille tout au long du cycle solaire. Crédit : Centre de vol spatial Goddard de la NASA/Studio de visualisation scientifique/Tom Bridgman
Sur Terre, nous avons trois couches de protection contre les radiations spatiales. Le premier est l’héliosphère, qui aide à empêcher le GCR d’atteindre les principales planètes du système solaire. De plus, le champ magnétique terrestre produit un bouclier appelé magnétosphère, qui éloigne le GCR de la Terre et des satellites en orbite basse comme la Station spatiale internationale. Enfin, les gaz de l’atmosphère terrestre absorbent le rayonnement.
Lorsque les astronautes se dirigent vers la Lune ou vers Mars, ils n’auront pas la même protection que nous avons sur Terre. Ils n’auront que la protection de l’héliosphère, dont la taille fluctue tout au long du cycle de 11 ans du Soleil.
Dans chaque cycle solaire, le Soleil traverse des périodes d’activité intense et de puissants vents solaires, et des périodes plus calmes. Comme un ballon, lorsque le vent se calme, l’héliosphère se dégonfle. Lorsqu’elle reprend, l’héliosphère se dilate.
« L’effet de l’héliosphère sur les rayons cosmiques permet des missions d’exploration humaine de plus longue durée. D’une certaine manière, cela permet aux humains d’atteindre Mars », a déclaré Arik Posner, héliophysicien au siège de la NASA à Washington, DC « Le défi pour nous est de mieux comprendre l’interaction des rayons cosmiques avec l’héliosphère et ses limites. »
Anatomie de l’héliosphère
Il y a un débat sur la forme précise de l’héliosphère. Cependant, les scientifiques s’accordent à dire qu’il a plusieurs couches. Regardons les couches de l’intérieur vers l’extérieur :
Cette illustration montre la position des sondes Voyager 1 et Voyager 2 de la NASA, en dehors de l’héliosphère, une bulle protectrice créée par le Soleil qui s’étend bien au-delà de l’orbite de Pluton. Crédits : NASA/JPL-Caltech
- Choc de résiliation: Toutes les grandes planètes de notre système solaire sont situées dans la couche la plus interne de l’héliosphère. Ici, le vent solaire émane du Soleil à pleine vitesse, environ un million de miles par heure, sur des milliards de miles, sans être affecté par la pression de la galaxie. La limite extérieure de cette couche centrale est appelée choc de terminaison.
- Héliogaine : Au-delà du choc de terminaison se trouve l’héliogaine. Ici, le vent solaire se déplace plus lentement et dévie lorsqu’il fait face à la pression du milieu interstellaire à l’extérieur.
- Héliopause : L’héliopause marque le point culminant et final plasma frontière entre le Soleil et le reste de la galaxie. Ici, les champs magnétiques des vents solaires et interstellaires se poussent les uns contre les autres, et les pressions intérieures et extérieures sont en équilibre.
- Heliogaine externe : La région juste au-delà de l’héliopause, qui est encore influencée par la présence de l’héliosphère, est appelée l’héliogaine externe.
Comment nous étudions les confins de l’héliosphère
De nombreuses missions de la NASA étudient le Soleil et les parties les plus intimes de l’héliosphère. Mais seuls deux objets fabriqués par l’homme ont franchi la frontière du système solaire et sont entrés dans l’espace interstellaire.
En 1977, la NASA a lancé Voyager 1 and Voyager 2. Chaque vaisseau spatial est équipé d’outils pour mesurer les champs magnétiques et les particules qu’il traverse directement. Après avoir dépassé les planètes extérieures lors d’un grand tour, ils sont sortis de l’héliopause respectivement en 2012 et 2018 et se trouvent actuellement dans l’héliogaine extérieure. Ils ont découvert que les rayons cosmiques sont environ trois fois plus intenses en dehors de l’héliopause qu’au plus profond de l’héliosphère.
Cependant, le tableau peint par les Voyagers est incomplet.
“Essayer de comprendre toute l’héliosphère à partir de deux points, Voyager 1 et 2, c’est comme essayer de déterminer le temps dans tout l’océan Pacifique à l’aide de deux stations météorologiques”, a déclaré Christian.
Les Voyagers travaillent avec le Interstellar Boundary Explorer (IBEX) pour étudier l’héliosphère. IBEX est un satellite de 176 livres de la taille d’une valise lancé par la NASA en 2008. Depuis lors, IBEX est en orbite autour de la Terre, équipé de télescopes observant la limite extérieure de l’héliosphère. IBEX capture et analyse une classe de particules appelées atomes neutres énergétiques, ou ENA, qui croisent son chemin. Les ENA se forment là où le milieu interstellaire et le vent solaire se rencontrent. Certains ENA retournent vers le centre du système solaire – et IBEX.
“Chaque fois que vous récupérez l’un de ces ENA, vous savez de quelle direction il vient”, a déclaré McComas, chercheur principal d’IBEX. “En collectant un grand nombre de ces atomes individuels, vous êtes en mesure de créer cette image à l’envers de notre héliosphère.”
En 2025, la NASA lancera la sonde de cartographie et d’accélération interstellaire (IMAP). Les caméras ENA d’IMAP ont une résolution plus élevée et plus sensibles que celles d’IBEX.
Les mystères abondent
En 2009, IBEX a rendu une conclusion si choquante que les chercheurs se sont d’abord demandé si l’instrument avait peut-être mal fonctionné. Cette découverte est devenue connue sous le nom de Ruban IBEX – une bande dans le ciel où les émissions ENA sont deux ou trois fois plus lumineuses que le reste du ciel.
“Le ruban était totalement inattendu et n’était prévu par aucune théorie avant que nous ayons volé la mission”, a déclaré McComas. La cause n’est pas encore tout à fait claire, mais c’est un exemple clair des mystères de l’héliosphère qui restent à découvrir.
Interstellar Boundary Explorer de la NASA, ou IBEX, étudie l’héliosphère depuis son orbite autour de la Terre. La toute première carte du ciel d’IBEX montrait une caractéristique surprenante surnommée le «ruban IBEX». Crédits : NASA/IBEX
« Notre Soleil est une étoile comme des milliards d’autres étoiles dans l’univers. Certaines de ces étoiles ont également des astrosphères, comme l’héliosphère, mais c’est la seule astrosphère dans laquelle nous nous trouvons et que nous pouvons étudier de près », a déclaré Justyna Sokol, chercheuse au Southwest Research Institute de San Antonio, au Texas. “Nous devons partir de notre quartier pour en apprendre beaucoup plus sur le reste de l’univers.”
