Les scientifiques de SwRI ont développé cette image conceptuelle de la dynamique des ions lourds basée sur des observations MMS. Les lignes de trajectoire colorées illustrent le comportement des particules alpha (He++) lorsqu’elles rencontrent un choc extrême. Les champs magnétiques puissants modifient efficacement leur trajectoire, les plaçant dans les zones d’accélération. Ce processus explique comment les éléments traces lourds pourraient être accélérés en rayons cosmiques galactiques par des événements de supernova. Crédit : SwRI
Les scientifiques ont utilisé les données de la mission Magnetospheric Multiscale (MMS) dirigée par le Southwest Research Institute pour expliquer la présence d’éléments lourds énergétiques dans les rayons cosmiques galactiques (GCR). Les GCR sont composés de particules énergétiques se déplaçant rapidement, principalement des ions hydrogène appelés protons, les éléments les plus légers et les plus abondants de l’univers. Les scientifiques ont longtemps débattu de la manière dont des quantités infimes d’ions lourds dans les GCR sont accélérées.
L’explosion de supernova d’une étoile mourante crée des ondes de choc massives qui se propagent dans l’espace environnant, accélérant les ions sur leur chemin vers des énergies très élevées, créant des GCR. La façon dont les ions lourds sont énergisés et accélérés est importante car ils affectent la redistribution de la masse dans l’univers et sont essentiels à la formation d’éléments encore plus lourds et chimiquement plus complexes. Ils influencent également la façon dont nous percevons les structures astrophysiques.
« On pense que les ions lourds sont insensibles à une onde de choc entrante, car ils sont moins abondants et l’énergie du choc est massivement consommée par la prépondérance des protons. Visualisez-vous debout sur une plage pendant que les vagues déplacent le sable sous vos pieds, pendant que vous restez en place », a déclaré le Dr Hadi Madanian de SwRI, l’auteur principal de l’article sur cette recherche publié dans Lettres de revues astrophysiques. “Cependant, cette vision classique du comportement des ions lourds dans des conditions de choc n’est pas toujours ce que nous avons vu dans les observations MMS haute résolution de l’environnement spatial proche de la Terre.”
Des phénomènes de choc se produisent également dans l’environnement proche de la Terre. Le champ magnétique du Soleil est transporté à travers l’espace interplanétaire par le flux de vent solaire supersonique, qui est obstrué et détourné par la magnétosphère terrestre, une bulle de protection autour de notre planète natale. Cette région d’interaction est appelée choc d’étrave en raison de sa forme incurvée, comparable aux vagues d’étrave qui se produisent lorsqu’un bateau se déplace dans l’eau. Le choc de l’arc de la Terre se forme à une échelle beaucoup plus petite que les chocs de la supernova. Cependant, parfois, les conditions de ce petit choc ressemblent à celles des restes de supernova. L’équipe a utilisé des mesures in situ à haute résolution du vaisseau spatial MMS au niveau du choc avant pour étudier comment les ions lourds sont accélérés.
« Nous avons observé une amplification intense du champ magnétique près du choc de l’arc, une propriété connue associée aux chocs puissants tels que les restes de supernova. Nous avons ensuite analysé le comportement de différentes espèces d’ions lorsqu’elles ont rencontré le choc de l’arc », a déclaré Madanian. “Nous avons constaté que ces champs améliorés modifient considérablement la trajectoire des ions lourds, les redirigeant vers la zone d’accélération du choc.”
Alors que ce comportement ne devait pas se produire pour les ions lourds, l’équipe a identifié des preuves directes de ce processus dans les particules alpha, les ions hélium qui sont quatre fois plus massifs que les protons et ont deux fois la charge.
« La superbe résolution des observations MMS nous a donné une image beaucoup plus claire de la façon dont une onde de choc énergise les éléments lourds. Nous pourrons utiliser cette nouvelle compréhension pour améliorer nos modèles informatiques d’accélération des rayons cosmiques lors de chocs astrophysiques », a déclaré David Burgess, professeur de mathématiques et d’astronomie à l’Université Queen Mary de Londres et co-auteur de l’article. “Les nouvelles découvertes ont des implications importantes pour la composition des rayons cosmiques et les spectres de rayonnement observés des structures astrophysiques.”
Référence : « Preuve directe de la réflexion magnétique des ions lourds provenant de chocs sans collision avec un nombre de Mach élevé » par Hadi Madanian, Steven J. Schwartz, Stephen A. Fuselier, David Burgess, Drew L. Turner, Li-Jen Chen, Mihir I. Desai et Michael J. Starkey, le 2 juillet 2021, Lettres de revues astrophysiques.
DOI : 10.3847 / 2041-8213 / ac0aee
NasaLes quatre satellites MMS utilisent l’environnement proche de la Terre comme laboratoire pour étudier divers phénomènes de physique spatiale. Goddard Space Flight Center a construit, intégré et testé les quatre engins spatiaux MMS et est responsable de la gestion globale de la mission et des opérations de mission. Le chercheur principal de l’équipe scientifique de la suite d’instruments MMS est basé au SwRI à San Antonio, au Texas. La planification des opérations scientifiques et le commandement des instruments sont effectués au MMS Science Operations Center du Laboratoire de physique atmosphérique et spatiale de l’Université du Colorado à Boulder.
