Exploration du système solaire et instrumentation in situ
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6/29/2018
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=
ne + nn
c’est le “4ème état” de la matière
99% de la matière dans l’univers
16/29/2018
Plasmas: du laboratoire à l’univers
Réacteur Cœur du Soleil
de fusion
Couronne Solaire
Nébuleuse
Magnétosphère
Réacteur de
gravure Eclairs
Plasma dans
l’eau
Aurore
boréale Flammes
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
26/29/2018
Cassini (1997-2017) Missions spatiales
Cluster (2000)
THEMIS (2007)
MMS (2015)
NASA/ESA Saturne
ESA Terre
NASA Terre
Parker Solar Probe(2018) NASA Terre
Solar Orbiter (2020)
Bepi Colombo
ESA (2018)
JUICE (2022)
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
36/29/2018
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./cm3)
- température:
(100 000 K)
- vitesse supersonique !
(400 km/s)
SOHO
Le Soleil est une étoile active et variable
46/29/2018
Propagation du vent solaire dans le système solaire
Impact des événements solaires sur Terre
OPS-G Forum
5th December
56/29/2018
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
66/29/2018
Impact des rayonnements et vents solaires sur :
un objet pourvu d’une atmosphère
Rayonnement Rayonnement
UV solaire UV,
EUV, X, … Atmosphère
ionosphère
vent 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
76/29/2018
Simulation de l’interaction vent solaire/Mars (R. Modolo, thèse, 2004)
Distribution de |B|
Impact sur un objet qui possède aussi un
champ magnétique ?
atmosphère
ionosphère
rayonnement solaire UV,
EUV, X, …
vent solaire
Planète Magnétisée
86/29/2018
Exemple de planète magnétisée: Terre, planètes
géantes
magnétopause
onde de de choc
magnétosphère
vent solaire
Création d’une magnétosphère
Cavité creusée dans le vent solaire
Interaction Vent Solaire - Planète Magnétisée
la magnétosphère de Jupiter
96/29/2018
Magnétosphère de Jupiter
Le plus gros objet du système solaire: B (Jupiter) ~ 14 x B (Terre)
Magnétosphères
planétaires
Mercure Terre
Mercure
Venus
Terre Uranus
Mars Neptune
Jupiter
Saturne
Uranus
Neptune
Saturne Jupiter
106/29/2018
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
116/29/2018
L’environnement planétaire réagit aux fluctuations du milieu interplanétaire
126/29/2018
Mission Magnetospheric Multi Scale (MMS)
Processus de petite échelle avec des
conséquences macroscopiques:
- reconnexion magnétique
- turbulence
quasi //
region
4 satellites
NASA
Lancée en 2015
LPP: magnétomètre
de type « fluxmètre »
quasi ⊥
Echange de particules region
Activité
Vent Solaire / Magnetosphère 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 T=-180°C à 400°C
sodium, soufre, chlore, …
BepiColombo MPO (ESA) & MMO (JAXA) octobre 2018:
arrivée 2024: orbites autour Mercure
136/29/2018
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)
146/29/2018
Mission BepiColombo (ESA / JAXA)
2 sondes : MPO (ESA) & MMO (JAXA)
Lancement en octobre 2018 de Kourou
MMO
Questions:
- 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: T=400°C
aurores ? particules énergétiques ? - -180°C
- Effet des événements solaires ? 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)
Io
Nombreuses lunes
Les radiations les plus intenses
Europa
Le plus fort champ magnétique
Callisto
Ganymède
156/29/2018
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++, …
166/29/2018
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
176/29/2018
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
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