Une illustration représentant l'un des vaisseaux spatiaux jumeaux Voyager de la NASA. Les deux Voyageurs sont entrés dans l'espace interstellaire, ou l'espace en dehors de l'héliosphère de notre Soleil. Crédit : NASA/JPL-Caltech
Alors que Voyager 1 de la NASA surveille l'espace interstellaire, ses mesures de densité font des vagues
Dans la collection clairsemée d'atomes qui remplit l'espace interstellaire, Voyager 1 a mesuré une série d'ondes de longue durée là où il ne détectait auparavant que des sursauts sporadiques.
Jusqu'à récemment, tous les engins spatiaux de l'histoire avaient effectué toutes leurs mesures à l'intérieur de notre héliosphère, la bulle magnétique gonflée par notre Soleil. Mais le 25 août 2012, NASAVoyager 1 a changé cela. En traversant la limite de l'héliosphère, il est devenu le premier objet fabriqué par l'homme à pénétrer - et à mesurer - l'espace interstellaire. Maintenant huit ans après son voyage interstellaire, une écoute attentive des données de Voyager 1 donne de nouvelles informations sur ce à quoi ressemble cette frontière.
Si notre héliosphère est un navire naviguant dans les eaux interstellaires, Voyager 1 est un radeau de sauvetage tout juste largué du pont, déterminé à surveiller les courants. Pour l'instant, les eaux agitées qu'il ressent proviennent principalement du sillage de notre héliosphère. Mais plus loin, il sentira les agitations provenant de sources plus profondes dans le cosmos. Finalement, la présence de notre héliosphère disparaîtra complètement de ses mesures.
Ce graphique d'octobre 20218 montre la position des sondes Voyager 1 et Voyager 2 par rapport à l'héliosphère, une bulle protectrice créée par le Soleil qui s'étend bien au-delà de l'orbite de Pluton. Voyager 1 a traversé l'héliopause, ou le bord de l'héliosphère, en 2012. Voyager 2 est toujours dans l'héliogaine, ou la partie la plus externe de l'héliosphère. (la NASA Le vaisseau spatial Voyager 2 est entré dans l'espace interstellaire en novembre 2018.) Crédits : NASA/JPL-Caltech
"Nous avons quelques idées sur la distance que Voyager devra parcourir pour commencer à voir des eaux interstellaires plus pures, pour ainsi dire", a déclaré Stella Ocker, titulaire d'un doctorat. étudiant à l'Université Cornell à Ithaca, New York, et le plus récent membre de l'équipe Voyager. "Mais nous ne savons pas exactement quand nous atteindrons ce point."
La nouvelle étude d'Ocker, publiée lundi dans Nature Astronomie, rapporte ce qui pourrait être la première mesure continue de la densité de matière dans l'espace interstellaire. "Cette détection nous offre une nouvelle façon de mesurer la densité de l'espace interstellaire et nous ouvre une nouvelle voie pour explorer la structure du milieu interstellaire très proche", a déclaré Ocker.
Le vaisseau spatial Voyager 1 de la NASA a capturé ces sons de l'espace interstellaire. Voyager 1 plasma L'instrument à ondes a détecté les vibrations d'un plasma interstellaire dense, ou gaz ionisé, d'octobre à novembre 2012 et d'avril à mai 2013. Crédit : NASA/JPL-Caltech
Quand on imagine la matière entre les étoiles – les astronomes l'appellent le « milieu interstellaire », une soupe étalée de particules et de rayonnement – on peut réimaginer un environnement calme, silencieux et serein. Ce serait une erreur.
"J'ai utilisé l'expression" le milieu interstellaire au repos "- mais vous pouvez trouver de nombreux endroits qui ne sont pas particulièrement au repos", a déclaré Jim Cordes, physicien spatial à Cornell et co-auteur de l'article.
Comme l'océan, le milieu interstellaire est plein d'ondes turbulentes. Les plus grandes proviennent de la rotation de notre galaxie, alors que l'espace se frotte contre lui-même et crée des ondulations de plusieurs dizaines d'années-lumière. Des vagues plus petites (bien que toujours gigantesques) se précipitent des explosions de supernova, s'étendant sur des milliards de kilomètres d'une crête à l'autre. Les plus petites ondulations proviennent généralement de notre propre Soleil, car les éruptions solaires envoient des ondes de choc dans l'espace qui imprègnent la paroi de notre héliosphère.
Ces vagues déferlantes révèlent des indices sur la densité du milieu interstellaire – une valeur qui affecte notre compréhension de la forme de notre héliosphère, de la formation des étoiles et même de notre propre emplacement dans la galaxie. Lorsque ces ondes se répercutent dans l'espace, elles font vibrer les électrons qui les entourent, qui résonnent à des fréquences caractéristiques en fonction de leur degré d'entassement. Plus la hauteur de cette sonnerie est élevée, plus la densité électronique est élevée. Le sous-système d'onde plasma de Voyager 1 - qui comprend deux antennes "oreilles de lapin" dépassant de 30 pieds (10 mètres) derrière le vaisseau spatial - a été conçu pour entendre cette sonnerie.
Une illustration du vaisseau spatial Voyager de la NASA montrant les antennes utilisées par le sous-système d'onde plasma et d'autres instruments. Crédit : NASA/JPL-Caltech
En novembre 2012, trois mois après sa sortie de l'héliosphère, Voyager 1 a entendu pour la première fois des sons interstellaires (voir vidéo ci-dessus). Six mois plus tard, un autre "sifflet" est apparu - cette fois plus fort et encore plus aigu. Le milieu interstellaire semblait s'épaissir, et rapidement.
Ces sifflements momentanés continuent à intervalles irréguliers dans les données de Voyager aujourd'hui. C'est un excellent moyen d'étudier la densité du milieu interstellaire, mais cela demande de la patience.
"Ils n'ont été vus qu'une fois par an environ, donc s'appuyer sur ce genre d'événements fortuits signifiait que notre carte de la densité de l'espace interstellaire était plutôt clairsemée", a déclaré Ocker.
Ocker a entrepris de trouver une mesure courante de la densité moyenne interstellaire pour combler les lacunes – une mesure qui ne dépend pas des ondes de choc occasionnelles se propageant à partir du Soleil. Après avoir filtré les données de Voyager 1, à la recherche de signaux faibles mais cohérents, elle a trouvé un candidat prometteur. Il a commencé à reprendre à la mi-2017, juste au moment d'un autre coup de sifflet.
"C'est pratiquement une seule tonalité", a déclaré Ocker. "Et avec le temps, nous l'entendons changer - mais la façon dont la fréquence se déplace nous indique comment la densité change."
Des événements d'oscillation de plasma faibles mais presque continus - visibles sous la forme d'une fine ligne rouge dans ce graphique/tk - connectent des événements plus forts dans les données du sous-système d'ondes plasma de Voyager 1. L'image alterne entre des graphiques montrant uniquement les signaux forts (fond bleu) et les données filtrées montrant des signaux plus faibles. Crédit : NASA/JPL-Caltech/Stella Ocker
Ocker appelle le nouveau signal une émission d'ondes plasma, et il semble également suivre la densité de l'espace interstellaire. Lorsque les sifflements brusques apparaissent dans les données, le ton de l'émission monte et descend avec eux. Le signal ressemble également à celui observé dans la haute atmosphère terrestre qui est connu pour suivre la densité électronique là-bas.
"C'est vraiment excitant, car nous sommes en mesure d'échantillonner régulièrement la densité sur une très longue étendue d'espace, la plus longue étendue d'espace que nous ayons jusqu'à présent", a déclaré Ocker. "Cela nous fournit la carte la plus complète de la densité et du milieu interstellaire vu par Voyager."
Sur la base du signal, la densité électronique autour de Voyager 1 a commencé à augmenter en 2013 et a atteint ses niveaux actuels vers la mi-2015, soit une augmentation de densité d'environ 40 fois. Le vaisseau spatial semble être dans une plage de densité similaire, avec quelques fluctuations, à travers l'ensemble de données qu'ils ont analysé et qui s'est terminé au début de 2020.
Ocker et ses collègues tentent actuellement de développer un modèle physique de la façon dont l'émission d'ondes plasma est produite qui sera la clé de son interprétation. En attendant, le sous-système d'ondes plasma de Voyager 1 continue de renvoyer des données de plus en plus loin de chez nous, où chaque nouvelle découverte a le potentiel de nous faire réimaginer notre maison dans le cosmos.
Pour en savoir plus sur cette recherche, lisez Dans le vide de l'espace à 14 milliards de kilomètres, Voyager I détecte le « bourdonnement » des ondes plasma.
Référence : "Persistent plasma waves in interstellar space detector by Voyager 1" par Stella Koch Ocker, James M. Cordes, Shami Chatterjee, Donald A. Gurnett, William S. Kurth et Steven R. Spangler, 10 mai 2021, Nature Astronomie.
DOI: 10.1038/s41550-021-01363-7
