#18B.   L'Heliosphère

La frontière du Vent Solaire

    Le vent solaire peut être considéré comme un gaz raréfié en expansion composé de particules chargées. C'est un gaz assez inhabituel, un "plasma" de particules chargées qui sont retenues ensemble par le champ magnétique environnant, et non par des inter-collisions, comme c'est le cas des molécules de l'air que nous respirons. Mais lui aussi peut aussi exercer une pression, comme un gaz habituel.

    Au fur et à mesure que le vent solaire s'étend, sa densité diminue, comme celle de la lumière s'éloignant d'une lampe - Lorsque la distance R par rapport au centre du soleil augmente, la densité baisse en fonction de 1/R², devenant de plus en plus faible. Le champ magnétique diminue également, approximativement comme 1/R ; le champ d'une barre aimantée dans le vide s'affaiblirait beaucoup plus rapidement, mais ici l'intensité magnétique est portée par les particules chargées du vent solaire.

    La pression exercée par le vent solaire dépend et de la densité et du champ magnétique ; Puisque ceux-ci diminue progressivement avec l'expansion du gaz depuis le soleil, il en est de même pour la pression. Mais, parallèlement, hors système solaire, l'espace, "le milieu interstellaire", contient un autre gaz, extrêmement raréfié. Il faut donc s'attendre à ce que l'expansion du vent solaire s'arrête là où sa pression s'équilibre avec celle du gaz interstellaire.

    Il faut cependant noter quelques points : En premier lieu que seuls les plasmas interstellaires et les champs magnétiques qui les accompagnent jouent un rôle dans la pression d'équilibre. Les particules neutres - comme les molécules d'air habituel -- ne sont en fait pas un obstacle : le champ magnétique n'influe pas sur elles, et les particules du vent solaires y sont si distantes les unes des autres (de l'ordre de centimètres ou de pouces) qu'elles n'entrent pratiquement jamais en collision.

Chocs Stationnaires

    Il en découle deux conséquences pour ce courant supersonique lorsqu'il rencontre un obstacle : D'abord qu'il se forme "un choc stationnaire," un état transitoire où il ralentit brusquement en-dessous de la vitesse du son, avec en contrepartie renforcement de sa densité. Et aussi que l'énergie cinétique de l'écoulement supersonique se transforme en grande partie en chaleur. Cela entraîne une grande hétérogénéité pour la re-entrée des véhicules spatiaux de leur orbite à l'atmosphère: la navette spatiale, par exemple, doit se débarrasser d'une énorme quantité d'énergie cinétique avant l'atterrissage, et elle met à profit la conversion en chaleur de la majeure partie de cette énergie non pas lorsque l'air supersonique frappe les tuiles du bouclier thermique, mais avant, dans le choc stationnaire situé devant le véhicule.

    Quand le vent solaire est confronté à un obstacle, il se forme de même un "choc d'arc", qui le ralentit sous la vitesse d'Alfvén : ainsi, la réaction à l'obstacle, à lieu à une certaine distance en aval. Comme pour la terre, les champs magnétiques planétaires y sont sujet, c'est un bon exemple. Le choc avec la terre forme un arc dont la concavité est orientée vers le soleil, à environ 13 rayons de la terre -- au point le plus proche de cette surface assimilable à une hyperbole en rotation autour de son axe de symétrie. Le vent solaire poursuit alors sa route, mais plus lent et plus dense, jusqu'à être finalement réfléchi par le champ magnétique de la terre au niveau de la "magnétopause," à une distance d'environ 10.5 rayons de la terre.

Le Choc Terminal

    D'après les théories, ce choc se situe à environ 50-100 UA (unités astronomiques, la distance moyenne Soleil-Terre), bien au delà des orbites de Neptune (30 AU) et de Pluton (40AU). Lancé en 1977 vers Jupiter et Saturne, Voyager 1 est une des sondes spatiale "coureur de fond" de la NASA. Avec la distance, ses signaux se sont affaiblis et ont nécessité des manipulations délicates de la part des ingénieurs de la NASA, avec une vitesse très lente des signaux. Ses générateurs électriques, utilisant la chaleur du plutonium radioactif, ont également perdu de la puissance, et son détecteur de vent solaire est hors d'usage.

    Année après année les chercheurs patientèrent -- interprétant les périodes de turbulence sonore comme révélatrices de l'approche du choc terminal, mais ils ne purent que constater que le bruit s'atténuait à nouveau. Aucun parieur n'a bien engagé son argent sur la question de savoir quand le croisement se produirait.

Et puis cela arriva, en l'absence de tout observateur.

La Rencontre

Variation du champ magnétique au niveau du choc terminal

    Que va- il se passer ultérieurement ? Le flux de vent solaire n'est pas constant, et si à l'avenir son volume et/ou sa vitesse augmentent :le choc terminal serait repoussé et repasserait au delà de Voyager 1. Un vaisseau spatial situé près du choc de l'arc de la terre enregistre souvent ce genre d'oscillations. Par contre, un autre instrument à bord de voyager 1, un détecteur d'ions à énergie réduite issus des des ions des rayons cosmiques de 70mev et plus, indique que ce n'est pas pour tout de suite : depuis le croisement avec le choc terminal, le flux de ces particules a notablement augmenté (voir la figure ci-dessous).

Flux de rayons cosmiques de basse énergie, Voyager 1, 2004-5

    On savait depuis longtemps que l'intensité du flux des rayons cosmiques les plus lents, au niveau le plus bas de la distribution d'énergie, est réduite à l'intérieur de l'héliosphère, au moins près de l'écliptique. Ceci est peut être du à des irrégularités du champ magnétique, comme le montre les variations de ces particules au cours du cycle de 11 ans des taches solaires. L'intensification régulière de leur flux depuis décembre 2004 suggère que le choc terminal joue un rôle important dans leur exclusion.

    Bien, et quoi de plus ? Quelque part en aval du choc terminal se situe l'heliopause, la véritable frontière interstellaire, et on devrait observer d'intéressantes choses à ce niveau. Voyager ne constatera pas si le vent solaire va au delà puisque son détecteur de vent solaire ne fonctionne plus, mais ses lignes de champ magnétique devraient également le suivre, et être encore observables. A l'extérieur de l'heliopause il peut encore y avoir un autre choc d'arc du au système solaire lui-même, en déplacement assez rapide dans cette partie de la galaxie.

    Personne ne sait quand arriveront ces nouveaux événements, ni où, ni si Voyager sera opérationnel lorsque l'heliopause sera atteinte. On sait aussi que Voyager 2, évoluant à quelques dizaines d'AU, enregistre toujours les données du vent solaire. Mais la mission complète de Voyager est menacée : une décision a été prise en début 2005 (mais plus tard annulée) de réduire les dépenses en arrêtant sa surveillance. Nous ne pouvons que croiser les doigts en espérant que celle-ci continue jusqu'au moment où les données seront enregistrées, et souhaiter en attendant une longue et fructueuse vieillesse aux deux Voyagers !