Exploration du système solaire et instrumentation in situ

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1 Exploration du système solaire et instrumentation in situ Laboratoire de Physique des Plasmas Dominique Fontaine Laboratoire de Physique des Plasmas École Polytechnique, France Qu est-ce qu un plasma? Un gaz comportant des espèces ionisées (électrons, ions) obtenu par apport d énergie à un gaz - ne α = n + n e n c est le 4ème état de la matière 99% de la matière dans l univers 1

2 Plasmas: du laboratoire à l univers Réacteur de fusion Cœur du Soleil Nébuleuse Couronne Solaire Magnétosphère Réacteur de gravure Eclairs Aurore boréale Flammes Plasma dans l eau Au LPP, l équipe des «Plasmas Spatiaux» s intéresse à la physique des plasmas du système solaire: théorie, simulations et mesures in situ Plasmas: - autour du Soleil - dans le milieu interplanétaire - dans l environnement des planètes,. Mesures par des instruments à bord de satellites: Cassini, (Cluster, THEMIS, MMS), Bepi Colombo, Solar Orbiter, (Parker Solar Probe), JUICE 2

3 Cassini ( ) Cluster (2000) Missions spatiales THEMIS (2007) MMS (2015) NASA/ESA Saturne Parker Solar Probe(2018) Solar Orbiter (2020) ESA ESA Terre Bepi Colombo (2018) NASA Terre JUICE (2022) NASA Terre R & T, Projets futurs NASA Soleil ESA/JAXA Mercure ESA Jupiter Plasmas dans le système solaire: - d origine solaire autour du soleil, dans le milieu interplanétaire - d origine planétaire 3

4 Au centre du système solaire : le Soleil Il émet en permanence : des rayonnements UV, EUV, X, du plasma appelé Vent Solaire Vent solaire: - électrons, ions,. (densité : qq part./cm 3 ) - température: ( K) - vitesse supersonique! (400 km/s) SOHO Le Soleil est une étoile active et variable 4

5 Propagation du vent solaire dans le système solaire Impact des événements solaires sur Terre OPS-G Forum 5 th December 5

6 Missions Solar Orbiter (ESA) 2020 et Parker Solar Probe (NASA) 2018 Etudes des événements solaires et de l activité solaire à partir d observations: - de la surface par remote sensing - in-situ après propagation dans le milieu interplanétaire Pour Solar Orbiter, le LPP : - réalise le magnétomètre «fluxmètre» - participe au spectromètre «électrons» Les environnements planétaires 6

7 Impact des rayonnements et vents solaires sur : un objet pourvu d une atmosphère ement UV Rayonnement solaire UV, EUV, X, Atmosphère ionosphère nt solaire vent solaire supersonique Planète non magnétisée pourvue d une atmosphère Cas de Mars: onde de choc ionopause ionosphère sillage planétaire vent solaire Mars, Venus, Comètes, Interaction Vent Solaire - Planète Non Magnétisée 7

8 Simulation de l interaction vent solaire/mars (R. Modolo, thèse, 2004) Distribution de B Impact sur un objet qui possède aussi un champ magnétique? rayonnement solaire UV, EUV, X, atmosphère ionosphère vent solaire Planète Magnétisée 8

9 Exemple de planète magnétisée: Terre, planètes géantes onde de de choc magnétopause vent solaire magnétosphère Création d une magnétosphère Cavité creusée dans le vent solaire Interaction Vent Solaire - Planète Magnétisée la magnétosphère de Jupiter 9

10 Magnétosphère de Jupiter Le plus gros objet du système solaire: B (Jupiter) ~ 14 x B (Terre) Magnétosphères planétaires Mercure Venus Terre Mars Mercure Terre Uranus Neptune Jupiter Saturne Uranus Neptune Saturne Jupiter 10

11 3 environnements emblématiques: - Terre (seule planète habitée) - Mercure (la plus petite planète du système solaire) - Jupiter (la plus grosse planète du système solaire) 1. Environnement de la Terre La magnétosphère n est pas vide: - feuillet de plasma: couche de courant - aurores boréales et australes Feuillet de plasma 11

12 L environnement planétaire réagit aux fluctuations du milieu interplanétaire 12

13 Mission Magnetospheric Multi Scale (MMS) Lancée en satellites NASA LPP: magnétomètre de type «fluxmètre» Processus de petite échelle avec des conséquences macroscopiques: - reconnexion magnétique - turbulence quasi // region Echange de particules Vent Solaire / Magnetosphère quasi region Activité exposive 2. Environnement de Mercure La plus petite planète et la plus proche du Soleil MARINER 10 (NASA) 1973 : 3 survols faible champ magnétique exosphère (atmosphère très tenue) MESSENGER (NASA) 2004: 3 survols cartographie de la surface cartographie du champ de gravité fortes concentrations au sol de sodium, soufre, chlore, T=-180 C à 400 C BepiColombo MPO (ESA) & MMO (JAXA) octobre 2018: arrivée 2024: orbites autour Mercure 13

14 Forte influence du vent solaire sur l environnement de Mercure Vent solaire nominal Vent solaire extrême (Zurbuchen et al., 2004) Exosphère de Sodium sur la phase éclairée de Mercure Observation depuis le sol (télescope Themis) (Mangano et al., 2015) Propagation des ions Na + dans tout l environnement Herméen (Ip et al, 1986) 14

15 Mission BepiColombo (ESA / JAXA) 2 sondes : MPO (ESA) & MMO (JAXA) Lancement en octobre 2018 de Kourou Questions: MMO - Origine du champ magnétique? MPO - Interaction avec le vent solaire en l absence d atmosphère? et d ionosphère? - Composition de l environnement? Na, Mg, K, - Dynamique de l environnement ionisé: aurores? particules énergétiques? - Effet des événements solaires? T=400 C C Le LPP réalise: - un spectromètre de masse ionique - un magnétomètre «fluxmètre» 3. Environnement de Jupiter «La magnétosphère des superlatifs» La plus grosse planète du système solaire Rotation très rapide (~10 h) Nombreuses lunes Io Les radiations les plus intenses Le plus fort champ magnétique Europa Ganymède Callisto 15

16 La plus grosse magnétosphère du système solaire Centrifugation des particules dans le plan équatorial (rotation rapide) Aurores polaires vues par le télescope Hubble Rôle des Lunes : Io Volcanisme de IO: 1 tonne / s principalement du dioxyde de soufre Magnétosphère d ions issus de IO: S +, S ++, S +++, O +, O ++, 16

17 Ganymède Seule lune dans le système solaire à posséder un champ magnétique: mini-magnétosphère dans la grosse magnétosphère de Jupiter Emissions aurorales près des pôles identifiées par le téléscope Hubble Mission JUICE (ESA) (JUpiter Icy moons Explorer) Lancement prévu pour 2022, arrivée 2030 Questions: - Jupiter: Atmosphère? - Fonctionnement du système jovien? - Interactions Jupiter magnétosphère - Lunes? - Lunes: Ganymède, Europa, Callisto Détection d un océan sous la couche de glace : habitabilité? Le LPP fournit un magnétomètre «fluxmètre 17

18 Perspectives Objets plus lointains du système solaire? ex: Uranus, Neptune, Uranus (Lamy et al., 2017) Instrumentation au LPP Spectromètres de particules: - Energie: qq ev à 30 kev - Composition ionique Magnétomètre de type «fluxmètre» Spectromètre MSA Bepi Colombo 18