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Détection inattendue d’une augmentation de densité dans le milieu interstellaire par les sondes Voyager

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| NASA/JPL

Dans l’espace, personne ne vous entend crier. Cette phrase célèbre issue de la franchise de films Alien s’avère particulièrement exacte puisque la densité de matière dans l’espace est extrêmement faible ; bien trop faible pour que des ondes sonores puissent se propager. C’est d’autant plus vrai pour l’espace situé en dehors du Système solaire, où la densité de matière diminue encore. Cependant, les deux sondes Voyager 1 et 2 ont détecté une augmentation de densité au-delà de l’héliopause, la bordure considérée comme la limite entre Système solaire et milieu interstellaire. Bien que les astrophysiciens n’en connaissent pas encore la cause, plusieurs hypothèses ont été émises.

En novembre 2018, après un voyage de 41 ans, Voyager 2 a finalement franchi la frontière qui marquait la limite de l’influence du Soleil et est entré dans l’espace interstellaire. Mais la mission de la petite sonde n’est pas encore terminée ; elle envoie maintenant des informations aux astrophysiciens sur l’espace au-delà du Système solaire. Et cela révèle quelque chose de surprenant. À mesure que Voyager 2 s’éloigne de plus en plus du Soleil, la densité de l’espace augmente.

Ce n’est pas la première fois que cette augmentation de densité est détectée. Voyager 1, qui est entrée dans l’espace interstellaire en 2012, a détecté un gradient de densité similaire à un endroit différent. Les nouvelles données de Voyager 2 montrent que non seulement la détection de Voyager 1 était correcte, mais que l’augmentation de la densité pourrait être une caractéristique à grande échelle du milieu interstellaire très local (VLIM).

De l’héliosphère au milieu interstellaire

La bordure du Système solaire peut être définie par plusieurs limites différentes, mais celle traversée par les sondes Voyager est connue sous le nom d’héliopause, et elle est définie par le vent solaire. Il s’agit d’un vent supersonique constant de plasma ionisé expulsé du Soleil dans toutes les directions, et l’héliopause est le point où le vent solaire est arrêté par le milieu interstellaire.

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Schéma montrant la structure de l’héliosphère ainsi que les deux sondes Voyager de la NASA, naviguant dans l’espace interstellaire. Crédits : NASA/JPL-Caltech

L’espace à l’intérieur de l’héliopause est l’héliosphère, et l’espace à l’extérieur est le VLIM. Mais l’héliosphère n’est pas une sphère ronde. Elle est plutôt de forme elliptique, avec le Système solaire à une extrémité, et une queue en continu derrière ; le « nez » est pointé en direction de l’orbite du Système solaire dans la Voie lactée. Les deux sondes Voyager ont franchi l’héliopause au niveau du nez, mais avec une différence de 67 degrés de latitude héliographique et de 43 degrés de longitude.

Une augmentation de densité dans le milieu interstellaire

L’espace est généralement considéré comme un vide, mais ce n’est pas le cas, pas complètement. La densité de matière est extrêmement faible, mais elle existe toujours. Dans le Système solaire, le vent solaire a une densité moyenne de protons et d’électrons de 3 à 10 particules par centimètre cube, mais il diminue à mesure que l’on s’éloigne du Soleil.

La densité électronique moyenne du milieu interstellaire de la Voie lactée a été calculée à environ 0.037 particule par centimètre cube. Et la densité du plasma dans l’héliosphère externe est d’environ 0.002 électron par centimètre cube. Alors que les sondes Voyager passaient au-delà de l’héliopause, leurs instruments Plasma Wave Science ont détecté la densité électronique du plasma grâce aux oscillations du plasma.

Voyager 1 a traversé l’héliopause le 25 août 2012, à une distance de 121.6 unités astronomiques de la Terre (121.6 fois la distance entre la Terre et le Soleil, soit environ 18.1 milliards de km). Lorsqu’elle a mesuré pour la première fois les oscillations du plasma après avoir traversé l’héliopause le 23 octobre 2013 à une distance de 122.6 unités astronomiques (18.3 milliards de km), Voyager 1 a détecté une densité de plasma de 0.055 électron par centimètre cube.

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Voyager 2 a traversé l’héliopause le 5 novembre 2018 à une distance de 119 unités astronomiques (17.8 milliards de km). Elle a mesuré les oscillations du plasma le 30 janvier 2019 à une distance de 119.7 unités astronomiques (17.9 milliards de km), trouvant une densité de plasma de 0.039 électron par centimètre cube, très proche de la mesure de Voyager 1. Et les deux instruments ont signalé une augmentation de la densité. Après avoir parcouru 20 autres unités astronomiques (2.9 milliards de km) à travers l’espace, Voyager 1 a signalé une augmentation d’environ 0.13 électron par centimètre cube.

Une cause encore incertaine

Mais les détections effectuées par Voyager 2 en juin 2019 ont montré une augmentation beaucoup plus nette de la densité à environ 0.12 électron par centimètre cube, à une distance de 124.2 unités astronomiques (18.5 milliards d’unités). Étant donné que le plasma à la pression atmosphérique de la Terre a une densité d’électrons de 1013 par centimètre cube, ces quantités peuvent sembler minimes, mais elles sont suffisamment importantes pour justifier notre intérêt.

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Une théorie est que les lignes de champ magnétique interstellaire deviennent plus fortes lorsqu’elles se déposent sur l’héliopause. Cela pourrait générer une instabilité cyclotronique ionique électromagnétique qui réduit progressivement le plasma de la région magnétisée. Voyager 2 a détecté un champ magnétique plus fort que prévu lorsqu’elle a traversé l’héliopause.

Une autre théorie est que le matériau soufflé par le vent interstellaire devrait ralentir en atteignant l’héliopause, provoquant une sorte d’embouteillage. Cela a peut-être été détecté par la sonde du Système solaire externe New Horizons, qui a capté en 2018 la faible lueur ultraviolette résultant d’une accumulation d’hydrogène neutre à l’héliopause.

Sources : The Astrophysical Journal Letters

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