Au plus près du Soleil, Parker Solar Probe observe le vent solaire

La mission Parker Solar Probe (PSP), lancée par la NASA le 12 août 2018, a achevé sa 14e orbite solaire en décembre 2022. Elle a atteint son périhélie sous 15 rayons solaires, là où aucun engin spatial n'avait pu voler auparavant. Cette proximité avec le Soleil a permis un nouvel éclairage inestimable sur les mécanismes fondamentaux de l'accélération du vent solaire grâce aux modèles cinétiques développés par l'équipe « Vent solaire » de l’IASB. Comme prévu, cette mission a confirmé la présence d'électrons suprathermiques à des distances radiales très faibles, mais elle a aussi détecté, pour la première fois, des ondes électrostatiques à large bande dans le vent solaire proche du Soleil.

L'importance des électrons suprathermiques

En utilisant un modèle exosphérique basé sur les distributions Kappa, l'équipe "Vent solaire" de l’IASB a montré que la présence de particules suprathermiques, et en particulier d'une population accrue d'électrons (eV à plusieurs keV) dans la basse couronne, peut expliquer le chauffage coronal et l'accélération du vent solaire rapide [1].

Les particules suprathermiques sont des ions et des électrons chargés qui se déplacent à des vitesses de deux à plusieurs centaines de fois supérieures à celles du plasma thermique du vent solaire. La présence de distributions enrichies en électrons qui s'échappent, augmente le potentiel électrique et accélère le vent jusqu'aux valeurs observées dans le vent solaire à grande vitesse, tout en maintenant des températures réalistes dans la couronne solaire. Il était donc crucial de déterminer si ces particules suprathermiques qui sont observées dans le vent solaire plus loin du Soleil sont déjà présentes à proximité du Soleil.

Observations de la sonde Parker Solar Probe

La présence d’électrons suprathermiques à proximité du Soleil est maintenant confirmée grâce aux observations de PSP qui a pu mesurer les fonctions de distribution de vitesse des particules solaires à des distances radiales inférieures à 15 Rs (rayons solaires) en 2022. L'orbite de PSP est illustrée à la Figure 2 et montre un périhélie très proche du Soleil. En 2024, PSP atteindra même des distances inférieures à 10 Rs. 

La Figure 3 illustre un exemple de distributions de vitesse des électrons mesurées par l'analyseur de plasma WIND 3D de la NASA à 1 UA (unité astronomique): en bleu dans la direction parallèle et en noir dans la direction perpendiculaire au champ magnétique [1]. En rouge, les nouvelles observations de PSP à 29 Rs dans la direction parallèle. Les ajustements du noyau par des fonctions maxwelliennes (lignes pleines) et du halo (lignes pointillées) des observations de WIND (en noir) et de PSP (en rouge) sont également illustrés, montrant la présence des particules suprathermiques. Nous étudions l'évolution radiale de la population du halo suprathermique et son influence sur le noyau [2].

Les nouvelles observations de PSP ont également permis de détecter des ondes électrostatiques à large bande dans le vent solaire proche du Soleil [3]. Avec des collègues chinois, nous avons publié plusieurs articles sur l'apparition de diverses instabilités dont l'évolution est attendue et observée dans différentes conditions de vent solaire et à différentes distances héliocentriques. L'évolution non linéaire des instabilités et de la turbulence du plasma dans le vent solaire est également étudiée dans le cadre du projet Fed-tWIN ENERGY

 

References

  1. Pierrard V., M. Lazar, M. Maksimovic (2021), Suprathermal populations and their effects in space plasmas: Kappa vs. Maxwellian, and Maksimovic M., A. Walsh, V. Pierrard, S. Stverak, I. Zouganelis, Electron Kappa distributions in the solar wind: cause of the acceleration or consequence of the expansion?, Chapters in book “Kappa Distributions, From Observational Evidences via Controversial Predictions to a Consistent Theory of Nonequilibrium Plasmas”, Editors: M. Lazar and H. Fichtner (Springer/Nature-Astrophysics and Space Science Library), p. 15-38, eBook ISBN 978-3-030-82623-9, Print ISBN 978-3-030-82622-2.
     
  2. Pierrard  V., M. Lazar, S. Stverak (2022), Implications of the Kappa Suprathermal Halo of the Solar Wind Electrons, Frontiers in Astronomy and Space Sciences, 9, doi: 10.3389/fspas.2022.892236.
     
  3. Zhao J., Malaspina M. D., Dudok De Wit T., Pierrard V., Voitenko, Y., Lapenta G., Poedts, S. Bale S. D., Kasper J. C., Larson D., Livi R., Whittlesey P. (2022), Broadband Electrostatic Waves in the Near-Sun Solar Wind Observed by the Parker Solar Probe, The Astrophysical Journal Letters,  938(2): L21, doi: 10.3847/2041-8213/ac92e3.
     
  4. Heliospheric Energy Budget: From Kinetic Scales to Global Solar Wind Dynamics

 

Apparenté

L'orbite de Parker Solar Probe
Figure 2: L'orbite de Parker Solar Probe présente un périhélie très proche du Soleil, où aucun engin spatial n'avait pu mesurer in situ auparavant. Crédit: NASA.
Graphique fonction de distribution des vitesses
Figure 3 : Les points rouges illustrent une fonction de distribution des vitesses (FDV) typique observée par l'instrument SPAN sur PSP à 29 RS. Superposée à une FDV observée dans le vent solaire à 1 UA (215 Rs) près de la Terre par l'instrument WIND-3DP, les points bleus et noirs représentent respectivement la direction parallèle et perpendiculaire au champ magnétique interplanétaire. Les lignes noires pleines et en pointillés représentent les ajustements maxwelliens, illustrant le fait que des particules suprathermiques sont observées aux deux distances radiales. Figure tirée de [1].