Magnétosphère mystique de Mercure : le vaisseau spatial Mio révèle des ondes de chœur et des aurores à rayons X

L’exploration de Mercure par la sonde spatiale Mio a révélé des ondes chorales localisées dans sa magnétosphère. La recherche internationale a utilisé des théories et des simulations avancées pour comprendre ces ondes, soulignant le rôle vital de la magnétosphère dans la protection des planètes contre le rayonnement cosmique.

Mercure étant la planète la plus proche du Soleil parmi les planètes du système solaire, elle est fortement influencée par le vent solaire, un courant d’air à grande vitesse (plusieurs centaines de km/s). plasma souffle du Soleil.

Les premières explorations de Mercure ont été réalisées par la sonde spatiale Mariner 10 en 1974 et 1975, qui ont révélé que Mercure possède un champ magnétique, et donc une magnétosphère, similaire à celui de la Terre.

Dans les années 2000, la sonde spatiale MESSENGER a fourni une image détaillée du champ magnétique et de la magnétosphère de Mercure et a révélé que le centre du champ magnétique de Mercure est décalé vers le nord par rapport au centre de la planète d’environ 0,2 RM (RM est le rayon de Mercure de 2 439,7 km).

La troisième exploration de Mercure est actuellement réalisée par le BepiColombo International Mercury Exploration Project.⁽¹⁾ grâce au vaisseau spatial Mio (Project Scientist, Dr Murakami) et au Mercury Planetary Orbiter (MPO). En particulier, contrairement à Mariner 10 et MESSENGER, le vaisseau spatial Mio est équipé d’une suite complète d’instruments à ondes plasma (PWI, chercheur principal, professeur Kasaba) conçus spécifiquement pour étudier pour la première fois l’environnement électromagnétique autour de Mercure. Les ondes électromagnétiques peuvent accélérer efficacement les particules de plasma (électrons, protons, ions plus lourds) ; en tant que tels, ils jouent un rôle important dans la dynamique magnétosphérique de Mercure.

Résultats de l’étude en cours

L’étude actuelle a été réalisée par une équipe de recherche commune internationale composée de scientifiques de l’Université de Kanazawa, de l’Université du Tohoku, de l’Université de Kyoto, de MagneDesign Corporation, du Laboratoire de Physique des Plasmas, en France, avec le soutien du CNES (Agence spatiale française) et de l’Institut de l’espace et Astronautical Science, l’Agence japonaise d’exploration aérospatiale (JAXA).

Le vaisseau spatial Mio, lancé le 20 octobre 2018, est actuellement en route vers Mercure, avec une dernière insertion en orbite autour de la planète prévue pour décembre 2025. Bien que placer Mio sur l’orbite de Mercure soit techniquement extrêmement difficile en raison de la forte gravité du Soleil par rapport à celui de Mercure, il devrait entrer en orbite autour de Mercure en 2025 après plusieurs survols⁽²⁾ de la Terre, Vénuset Mercury pour les manœuvres d’assistance gravitationnelle.

Lors des survols de Mercure ayant eu lieu le 1er octobre 2021 et le 23 juin 2022, la sonde spatiale Mio s’est approchée de la planète à une altitude d’environ 200 km. La configuration repliée du vaisseau spatial pendant le voyage vers Mercure n’est pas optimale pour mesurer les ondes électromagnétiques en raison du bruit d’interférence provenant du vaisseau spatial lui-même. Cependant, le vaisseau spatial Mio a été développé pour réduire autant que possible son niveau de bruit électromagnétique et a donc été certifié comme vaisseau spatial électromagnétiquement propre grâce à des tests CEM.⁽³⁾

Des capteurs de champ magnétique à courant alternatif capables de faire face à l’environnement brûlant de Mercure ont été développés conjointement par le Japon et la France et ont permis les premières observations d’ondes électromagnétiques autour de Mercure sans être contaminés par le bruit du vaisseau spatial lui-même. Cela a révélé la génération locale d’ondes chorales, telles que celles fréquemment détectées dans la magnétosphère terrestre.

L’existence d’ondes de chœur dans la magnétosphère de Mercure, aujourd’hui confirmée, était prédite (plage de fréquence, intensité…) dès les années 2000 lors de la conception de l’instrument à ondes plasma (PWI) de la sonde spatiale Mio. Ce qui a le plus surpris l’équipe de recherche commune internationale, dont fait partie le Dr Ozaki de l’Université de Kanazawa, a été la « localité spatiale » des ondes chorales, qui n’ont été détectées que dans une région extrêmement limitée du secteur de l’aube de la magnétosphère de Mercure lors des deux survols. Cela signifie qu’il existe un mécanisme physique qui tend à générer des ondes de chœur uniquement dans le secteur de l’aube de la magnétosphère de Mercure.

Afin d’étudier la cause de la génération d’ondes chorales dans le secteur de l’aube, l’équipe de recherche commune internationale a utilisé la théorie de croissance non linéaire des ondes chorales établie par le professeur Omura, de l’Université de Kyoto, pour évaluer l’effet de la courbure du champ magnétique de Mercure, fortement déformée par le vent solaire. Les lignes de champ magnétique dans le secteur nocturne sont étirées par la pression du vent solaire, tandis que les lignes de champ magnétique dans le secteur de l’aube sont moins affectées, ce qui entraîne une courbure plus petite.

Sur la base des caractéristiques des lignes de champ magnétique et de la théorie de la croissance non linéaire, il est révélé que dans le secteur de l’aube, l’énergie est efficacement transférée des électrons aux ondes électromagnétiques le long des lignes de champ magnétique, créant ainsi des conditions favorisant la génération d’ondes de chœur. L’effet est également confirmé par une simulation numérique de l’environnement de Mercure à l’aide d’un ordinateur haute performance.

Dans cette étude, l’équipe a révélé l’importance des lignes de champ magnétique planétaire, fortement affectées par le vent solaire, sur la localité de génération des ondes chorales grâce à une forte synergie entre « l’observation des engins spatiaux », la « théorie » et « simulation. »

Perspectives d’avenir

Lors des observations du survol de Mercure, l’équipe s’est préparée à une étude complète de l’environnement électromagnétique à l’aide de la sonde prévue du vaisseau spatial Mio en orbite autour de Mercure. Les ondes de chœur, qui devaient être détectées au moment de la planification, sont observées de manière assez locale, c’est-à-dire dans le secteur de l’aube de Mercure, ce qui n’était pas prévu, et les résultats montrent diverses fluctuations dans la magnétosphère de Mercure.

Les données démontrent l’existence d’électrons énergétiques sur Mercure qui peuvent générer des ondes chorales, la possibilité de générer des électrons actifs efficacement accélérés par des ondes chorales et la génération d’aurores à rayons X par des électrons se précipitant de force de la magnétosphère de Mercure à la surface de Mercure entraînés par vagues de chœur. Ces observations auront un impact considérable sur la compréhension scientifique de l’environnement de Mercure.

Le vaisseau spatial Mio est en route pour mener une exploration complète de Mercure. Sur la base d’observations de survol, nous avons découvert que la distorsion du champ magnétique est responsable de la génération locale (c’est-à-dire du secteur de l’aube) des ondes de chorus. L’exploration complète de l’environnement électromagnétique par la sonde spatiale Mio sur l’orbite de Mercure contribuera non seulement à la compréhension de l’environnement plasmatique de l’ensemble de la magnétosphère de Mercure, mais également à une compréhension approfondie de la dynamique magnétosphérique en général.

La magnétosphère agit comme une barrière empêchant les radiations cosmiques potentiellement mortelles sur les planètes du système solaire. La comparaison des données de Mercure et de la Terre renforcera notre compréhension de cet important bouclier naturel de notre planète natale.

Glossaire

1. Projet international d’exploration du mercure BepiColombo : Projet d’exploration complet de Mercure à l’aide de deux sondes spatiales (Mio et MPO) par la coopération Japon-Europe. Le Japon est notamment en charge de la sonde magnétosphère Mercure Mio, équipée d’instruments d’observation des ondes électromagnétiques, etc.
2. Survol : Avec une sonde de vaisseau spatial passant à proximité d’une planète. L’orbite de la sonde du vaisseau spatial doit être modifiée de la manière souhaitée en utilisant la gravité de la planète.
3. Test CEM (compatibilité électromagnétique) : Test d’évaluation pour vérifier si un bruit électromagnétique inutile est émis et si l’équipement est conçu et fabriqué de telle manière qu’il ne fonctionnera pas mal même s’il reçoit un bruit électromagnétique indésirable.

Test d’évaluation pour vérifier si un bruit électromagnétique inutile est émis et si l’équipement est conçu et fabriqué de telle manière qu’il ne fonctionnera pas mal même s’il reçoit un bruit électromagnétique indésirable.