Mesurer le vent solaire: mieux et plus vite

Physique spatiale
Dans le cadre de la proposition pour la mission spatiale THOR, l’IRAP (Toulouse) et l’IASB ont mis au point l’appareil de mesure du vent solaire le plus rapide et le plus précis jamais conçu. L’IASB a développé la méthode de "suivi du faisceau" rendant cet instrument si innovateur. Les simulations démontrent que le suivi du faisceau permet une acquisition rapide des données (<100 ms) à une résolution angulaire (1,5 °) et énergétique élevée (<7%), tout en évitant la perte du faisceau. Malheureusement, la mission THOR n’a pas été sélectionné pour être mise en œuvre. L’instrument reste donc un rêve - pour le moment.

Suivi du faisceau

Un spectromètre de plasma spatial mesure le nombre de particules présentes dans l'espace, ainsi que leurs vitesses individuelles (magnitude de la vitesse et direction), dans le but de construire les fonctions de distribution de vitesse des particules (VDF), qui sont essentielles pour toute étude scientifique de l'environnement spatial. Ces spectromètres utilisent traditionnellement la rotation de l’engin spatial autour de son axe pour échantillonner des particules provenant de toutes les directions.

Le taux d'acquisition de VDF est donc limité par la vitesse de rotation. Cette limitation peut être surmontée en utilisant des déflecteurs électrostatiques à l'entrée de l'instrument. Le fonctionnement d'un tel instrument peut alors être optimisé grâce à l'utilisation de la méthode du « suivi du faisceau ». Ceci est une stratégie dans laquelle on se base sur des mesures antérieures pour mesurer une distribution de vitesse suivante seulement autour d’une prédiction des vitesses et des directions du ciel d’où les particules arriveront.

Application au vent solaire

La méthode du suivi du faisceau est parfaite pour mesurer le vent solaire: le vent solaire provient seulement d'une partie du ciel et dans un intervalle d'énergie limité, bien que son énergie moyenne et sa direction puissent changer de manière significative.

À partir d’une plate-forme orientée vers le Soleil, un spectromètre peut acquérir des VDF du vent solaire avec une cadence limitée uniquement par la technologie. Dans le cadre de l’étude de phase A pour la mission THOR (candidat pour la mission Cosmic Vision M4 du programme scientifique de l’ESA), l’IASB a conçu - en collaboration avec l’IRAP (Toulouse) - le spectromètre CSW, un instrument avec des capacités sans précédent.

L’IASB a mis au point la stratégie de «suivi du faisceau» qui rend cet instrument si innovateur. Un simulateur a été utilisé pour valider le concept et pour montrer que cette stratégie permet une acquisition rapide (<100 ms) des VDFs à haute résolution angulaire (1,5 °) et énergétique (<7%), tout en évitant une perte potentielle du faisceau.

Perspectives

Les avantages de la stratégie du suivi du faisceau sont une acquisition des VDFs plus rapide pour une résolution angulaire / énergétique donnée ou une résolution angulaire / énergétique plus élevée pour une cadence d'acquisition donnée. Comme il est particulièrement bien adapté à la mesure du vent solaire, le CSW ou un instrument similaire serait parfait pour la surveillance de la météo spatiale.

Malheureusement, la mission THOR n’a pas été sélectionnée pour être mise en œuvre, donc cet instrument ne sera pas construit - du moins pour l’instant.

Pour en savoir plus

  • Cara, A., Lavraud, B., Fedorov, A., De Keyser, J., DeMarco, R., Marcucci, M.F., Valentini, F., Servidio, S., Bruno, R. (2017). Electrostatic analyzer design for solar wind proton measurements with high temporal, energy, and angular resolutions: Solar Wind Ion Instrument. Journal of Geophysical Research: Space Physics. https://doi.org/10.1002/2016JA023269
  • De Keyser, J., Lavraud, B., Přech, L., Neefs, E., Berkenbosch, S., Beeckman, B., Fedorov, A., Marcucci, M.F., De Marco, R., Brienza, D. (2018). Beam tracking strategies for fast acquisition of solar wind velocity distribution functions with high energy and angular resolutions. Annales Geophysicae, 36(5), 1285–1302. https://doi.org/10.5194/angeo-36-1285-2018 ​Open Access​

 

Simulation of plasma measurements of the solar wind on a spinning spacecraft using beam tracking
Simulation des mesures de plasma du vent solaire sur un engin spatial en rotation à l'aide du suivi de faisceau: (a) et (b) spectre d'énergie du vent solaire simulé et mesuré; (c) énergie en fonction du temps, où la ligne bleue représente la valeur du vent solaire réel, les cercles et les triangles magenta indiquent le centre et les limites de la plage d'énergie échantillonnée, et les losanges rouges représentent l'énergie moyenne déterminée par la spectromètre; (d) azimut; e) élévation; (f) phase d'essorage; (g) densité; (h, i) vitesse dans le cadre de référence de l’engin spatial (axe des x pointant vers le Soleil, l’engin spatial tournant dans le plan y-z), et (j) la température; (x) énergie-élévation, (y) énergie-azimut et (z) projections azimut-élévation du VDF à la fin de la simulation. 

Clicquez movie 1 (.mp4) et movie 2 (.mp4) pour démarrer le film sur le processus de mesures.