Les électrons voyageant à des vitesses proches de celle de la lumière autour de la Terre enfin expliqués

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Vue d'artiste des ceintures de Van Allen, montrant les lignes du champ magnétique terrestre et les trajectoires des particules chargées piégées. | UCLA EPSS/NASA SVS

Lors d’une éjection de masse coronale suite à une éruption solaire, du plasma contenant des particules chargées (dont des électrons) voyage à travers l’espace jusqu’à atteindre parfois le bouclier magnétique (magnétosphère) de la Terre, dont la ceinture de Van Allen, qui en retient une grande partie. De telles interactions magnétiques, incluant des électrons voyageant à des vitesses proches de celle de la lumière, peuvent être dangereuses pour les différents équipements électroniques tels que les satellites. Comprendre comment elles se forment, et éventuellement comment les prédire est donc crucial pour la santé des technologies terrestres.

Des chercheurs du centre allemand des géosciences GFZ à Potsdam viennent de faire une découverte importante en étudiant le phénomène : les électrons piégés dans la ceinture de Van Allen ne s’accélèrent à la vitesse de la lumière que lorsque la densité du plasma est faible. Les détails de l’étude ont été publiés le 29 janvier dans la revue Science Advances.

Les résultats obtenus sont importants, car les électrons qui se déplacent si rapidement sont particulièrement dangereux pour les satellites et autres équipements électroniques. Ils peuvent pénétrer le blindage qui protège les satellites des autres particules chargées lors des tempêtes solaires, endommageant ainsi les composants sensibles.

Des électrons ultra-énergétiques

Le phénomène se produit dans les deux ceintures de radiation de Van Allen, qui sont comme des boucles de particules chargées (piégées) en forme de beignet autour de la Terre. Ces ceintures, qui s’étendent d’environ 640 kilomètres à plus de 58’000 kilomètres au-dessus de la surface de la Terre, nous protègent des particules chargées émanant du soleil. Mais elles réagissent également aux tempêtes solaires d’une manière qui n’est pas encore totalement comprise. En 2012, la NASA a lancé deux sondes Van Allen pour prendre des mesures dans cette mystérieuse zone du proche espace. Les sondes avaient détecté des électrons à des « énergies ultra-relativistes », c’est-à-dire se déplaçant à une vitesse proche de celle de la lumière.

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À l’époque, les chercheurs ne savaient pas exactement comment les électrons devenaient si énergétiques ; certains pensaient que les électrons devaient s’accélérer en deux étapes, d’abord lors d’un voyage à l’extérieur des limites des ceintures, puis à l’intérieur de celles-ci. Mais les nouvelles données des sondes Van Allen ont montré que ces deux étapes n’étaient pas nécessaires. Au lieu de cela, la vitesse des électrons semble dépendre surtout de la densité des niveaux de fond du plasma solaire.

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Illustration des ceintures de radiation de Van Allen autour de la Terre, avec les trajectoires des électrons ultra-relativistes en gris. Les boucles colorées au premier plan représentent les orbites des satellites qui doivent traverser cette zone de l’espace, dangereuse sur le plan électromagnétique. © Ingo Michaelis & Yuri Shprits, GFZ

« Cette étude montre que les électrons de la ceinture de radiation de la Terre peuvent être rapidement accélérés localement pour atteindre des énergies ultra-relativistes, si les conditions de l’environnement du plasma – ondes de plasma et densité de plasma temporairement faible – sont correctes », a déclaré dans un communiqué le co-auteur de l’étude, Yuri Shprits, physicien de l’espace au GFZ de Potsdam.

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En général, la densité du plasma dans les ceintures de Van Allen pourrait se situer entre 50 et 100 particules par centimètre cube. Mais lorsque la densité tombe à moins de 10 particules par centimètre cube, les électrons peuvent tirer de l’énergie des ondes électromagnétiques, appelées « ondes de choc », faisant passer leur énergie cinétique de quelques centaines de milliers d’électrons-volts à 7 millions d’électrons-volts. (À titre de comparaison, l’accélérateur linéaire utilisé jusqu’en 2020 au CERN accélère les protons jusqu’à 50 millions d’électrons-volts).

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Les chercheurs soupçonnaient déjà que les ondes de type chœur (parmi les ondes électromagnétiques les plus intenses observées dans la magnétosphère) pouvaient être responsables de l’accélération des électrons, mais n’avaient pas réalisé auparavant que cela ne pouvait se produire que lorsque la densité du plasma était si faible. La faible densité semble permettre un transfert plus efficace de l’énergie des ondes vers les électrons.

Cependant, ces baisses de densité ne se produisent pas souvent, écrivent les chercheurs dans leur article. En 2015, lorsque les observations ont été faites, les bonnes conditions ne sont apparues qu’une poignée de fois. Ces conditions extrêmes peuvent avoir un rapport avec la convection prolongée dans les ceintures de Van Allen, c’est-à-dire lorsque de la matière plus chaude et plus légère monte et que de la matière plus dense et plus froide descend. Les chercheurs concluent par le fait que des études supplémentaires seront nécessaires pour découvrir pourquoi le plasma s’amincit parfois autant.

Source : Science Advances

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