This astronomers’ dream is as old as the conquest of space : to explore in situ the solar corona, source of the solar wind, this plasma of electrons and protons which bathes the solar system, and whose interaction with our planet drives space meteorology and produces polar auroras. Space probes have explored the solar system and reached its outer frontier at more than ten billions kilometres. But never the inner region, within Mercury orbit, and two fundamental questions are still unsolved (Figure 1) : how can the corona be so much hotter than the visible surface of the Sun ? And how does the solar wind blow at a supersonic speed of nearly one thousand kilometres per second ? These questions concern not only our Sun, but also many stars having a hot corona and a wind. They imply a fundamental problem of plasma physics : how is energy transported in these turbulent media which are so far from local thermal equilibrium ?

Figure 1 : La couronne et le vent solaire qui s’en échappe, vus par un coronographe de l’instrument SECCHI sur une sonde STEREO. L’image est formée par la lumière solaire diffusée par les électrons de la couronne et du vent solaire, avec un cache (cercle bleu) qui masque la lumière du Soleil. Cliquer sur l’image pour voir le film

The Solar Probe Plus (Figure 2), to be launched in 2018, not larger than a small car, should be able to withstand temperatures exceeding 1000°C and blasts of intense radiation. A heat shield using novel technology will protect its instruments during the passages close to the Sun, at only 6.5 millions kilometres - less than ten solar radii.

Figure 2 : La sonde Solar Probe Plus (JHU/APL). Sur cette vue d’artiste, les panneaux solaires sont repliés, comme ce sera le cas lors des approches du Soleil. Cliquer sur l’image pour l’agrandir

The probe will carry four suites of instruments. Among them, those of the consortium FIELDS, led by the Space Sciences Laboratory of University of California, which has been selected among thirteen proposals. This experiment will measure the electric and magnetic fields using receivers which should be built respectively at LESIA (1) and LPC2E (2) (with support from CNES), to study in situ coronal electrons, radio emissions, plasma waves, shock waves and turbulence, as well as dust grains. The selection of the LESIA instrument is the result of a long-standing theoretical and instrumental research performed at Observatoire de Paris with the support of CNRS and CNES, to transform electric antennas connected to a sensitive radio receiver into giant detectors of electrons and dust. This work has implied a close collaboration between scientists and engineers, and the theoretical and instrumental developments have implied seven doctoral theses. The principle is simple and has been tested on a number of space missions in various solar system environments. The thermal motions of electrons around the antennas induce electric fields which are detected by the radio receiver. A spectral analysis then reveals basic properties of the electrons, as their concentration and temperature (3). The radio receiver also detects the dust grains that impact the spacecraft, producing microcraters and ionisation which induces electric pulses (Figure 3).

Figure 3 : Schéma d’un nuage de plasma en expansion produit par l’impact d’une poussière sur une sonde STEREO, dont l’analyse a permis récemment la découverte de nanopoussières accélérées par le vent solaire (4). Cette étude, dont les applications permettront de mettre au point l’instrument sur Solar Probe Plus, est financée en partie par un contrat Emergence UPMC. Cliquer sur l’image pour l’agrandir

References The LESIA instrument is derived from those developed for the missions Bepi-Colombo (5) and Solar Orbiter (6). The FIELDS consortium on Solar Probe Plus (P.I. : S. D. Bale, University of California) is an integrated suite of instruments developed at University of California (Berkeley, USA), University of Colorado (USA), University of Minnesota (USA), NASA/GSFC (USA), LESIA (Observatoire de Paris, France) and LPC2E (Orléans, France). Solar Probe Plus will also carry a telescope (NRL, USA) to make high resolution images of the corona, as well as detectors of particles (SAO, Cambridge, USA) and of energetic ions (SRI, San Antonio, USA). (1) Observatoire de Paris, CNRS, Universités UPMC et Paris Diderot, 92195 Meudon Cedex (2) Observatoire des Sciences de l’Univers en région Centre, Université d’Orléans (3) http://lesia.obspm.fr/Spectroscopie-du-bruit-quasi.html (4) Meyer-Vernet et al., 2009, Solar Phys. 256, 453 (5) http://lesia.obspm.fr/SORBET-sur-MMO-BEPICOLOMBO.html (6) http://lesia.obspm.fr/Solar-Orbiter.html Contact Milan Maksimovic (Observatoire de Paris, LESIA et CNRS)

Michel Moncuquet (Observatoire de Paris, LESIA et CNRS) Nicole Meyer-Vernet (Observatoire de Paris, LESIA et CNRS) Moustapha Dekkali (Observatoire de Paris, LESIA et CNRS) Karine Issautier (Observatoire de Paris, LESIA et CNRS) Jean-Louis Bougeret (Observatoire de Paris, LESIA et CNRS)

Dernière modification le 4 mars 2013

Les astronomes en rêvaient depuis le début de la conquête spatiale : explorer in situ la couronne du soleil, source du vent solaire, ce plasma d’électrons et de protons qui baigne le système solaire et dont l’interaction avec notre planète gouverne la métérologie de l’espace et nous offre les aurores polaires. Nous avons exploré le système solaire jusqu’à sa frontière externe à plus de dix milliards de kilomètres. Mais jamais la région interne, à intérieur de l’orbite de Mercure, et les astrophysiciens cherchent depuis des décennies la réponse à deux questions majeures (Figure 1) : comment la température de la couronne peut-elle atteindre plus d’un million de degrés, alors que la surface visible du Soleil n’atteint pas 6000°C ? Et comment le plasma du vent solaire est-il accéléré jusqu’à des vitesses supersoniques de près de 1000 kilomètres par seconde ? Ces questions concernent aussi de nombreuses étoiles qui possèdent une couronne chaude et un vent. Elles impliquent un problème fondamental de physique des plasmas encore non résolu : comment est transportée l’énergie dans ces milieux turbulents si éloignés de l’équilibre thermodynamique local ?

Figure 1 : La couronne et le vent solaire qui s’en échappe, vus par un coronographe de l’instrument SECCHI sur une sonde STEREO. L’image est formée par la lumière solaire diffusée par les électrons de la couronne et du vent solaire, avec un cache (cercle bleu) qui masque la lumière du Soleil. Cliquer sur l’image pour voir le film

La sonde Solar Probe Plus (Figure 2), qui devrait être lancée en 2018, ne sera pas plus grosse qu’une petite voiture et devra supporter des rayonnements intenses et des températures de plus de 1000° C. Elle portera un bouclier thermique de nouvelle génération pour protéger ses instruments pendant les passages près du Soleil, à seulement 6,5 millions de kilomètres - moins de 10 rayons solaires.

Figure 2 : La sonde Solar Probe Plus (JHU/APL). Sur cette vue d’artiste, les panneaux solaires sont repliés, comme ce sera le cas lors des approches du Soleil. Cliquer sur l’image pour l’agrandir

La sonde portera quatre suites d’instruments, dont ceux du consortium FIELDS, mené par le laboratoire spatial de l’Université de Califormie, qui vient d’être sélectionné au terme d’une compétition très rude impliquant treize propositions. Cette expérience mesurera les champs électriques et magnétiques en utilisant des récepteurs qui devront être fabriqués respectivement au LESIA (1) et au LPC2E (2) (avec le soutien du CNES), pour étudier in situ les électrons de la couronne solaire, les émissions radio, les ondes de plasma, les ondes de choc et la turbulence, ainsi que les grains de poussière.La sélection de l’instrument du LESIA est le fruit d’un travail théorique et instrumental de longue haleine mené par des scientifiques de l’Observatoire de Paris avec le soutien du CNRS et du CNES, pour transformer des antennes électriques munies d’un récepteur radio ultrasensible en détecteurs géants d’électrons et de poussières. Ceci a impliqué une étroite collaboration entre scientifiques et ingénieurs, et les développements théoriques et instrumentaux ont donné lieu à sept thèses de doctorat. Le principe est simple et a été testé sur de nombreuses missions spatiales dans divers environnements du système solaire. L’agitation thermique des électrons au voisinage des antennes induit des champs électriques qui sont détectés par le récepteur radio, et dont la spectroscopie révèle les propriétés de base des électrons, comme leur concentration et leur température (3). Le récepteur radio détecte aussi les poussières qui impactent la sonde en créant des microcratères dont la matière s’ionise et produit des impulsions électriques(Figure 3).

Figure 3 : Schéma d’un nuage de plasma en expansion produit par l’impact d’une poussière sur une sonde STEREO, dont l’analyse a permis récemment la découverte de nanopoussières accélérées par le vent solaire (4). Cette étude, dont les applications permettront de mettre au point l’instrument sur Solar Probe Plus, est financée en partie par un contrat Emergence UPMC. Cliquer sur l’image pour l’agrandir

Références L’instrument du LESIA est largement inspiré de ceux développés pour les missions Bepi-Colombo (5) et Solar Orbiter (6). Le consortium FIELDS sur Solar Probe Plus (P.I. : S. D. Bale, Université de Californie) est une suite intégrée d’instruments de mesure des ondes développés à l’Université de Californie (Berkeley, USA), l’Université du Colorado (USA), l’Université du Minnesota (USA), la NASA//GSFC (USA), le LESIA (Observatoire de Paris, France) et le LPC2E (Orléans, France). Solar Probe Plus portera aussi un télescope (NRL, USA) qui fera des images à haute résolution de la couronne, ainsi que des détecteurs de particules (SAO, Cambridge, USA) et ions énergétiques (SRI, San Antonio, USA).

(1) Observatoire de Paris, CNRS, Universités UPMC et Paris Diderot, 92195 Meudon Cedex (2) Observatoire des Sciences de l’Univers en région Centre, Université d’Orléans (3) http://lesia.obspm.fr/Spectroscopie-du-bruit-quasi.html (4) Meyer-Vernet et al., 2009, Solar Phys. 256, 453 (5) http://lesia.obspm.fr/SORBET-sur-MMO-BEPICOLOMBO.html (6) http://lesia.obspm.fr/Solar-Orbiter.html Contact Milan Maksimovic (Observatoire de Paris, LESIA et CNRS)

Michel Moncuquet (Observatoire de Paris, LESIA et CNRS) Nicole Meyer-Vernet (Observatoire de Paris, LESIA et CNRS) Moustapha Dekkali (Observatoire de Paris, LESIA et CNRS) Karine Issautier (Observatoire de Paris, LESIA et CNRS) Jean-Louis Bougeret (Observatoire de Paris, LESIA et CNRS)

Dernière modification le 22 février 2013