L'étrange espace qui se trouve en dehors de notre système solaire

Loin de l'étreinte protectrice du Soleil, le bord de notre système solaire semble être un endroit froid, vide et sombre. On a longtemps pensé que l'espace qui nous sépare des étoiles les plus proches est une vaste étendue de néant effrayante.

Jusqu'à récemment, c'était un endroit que l'humanité ne pouvait voir que de loin. Les astronomes n'y prêtaient qu'une attention passagère, préférant concentrer leurs télescopes sur les masses lumineuses de nos étoiles et galaxies voisines.

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Mais depuis quelques années, deux vaisseaux spatiaux, construits et lancés dans les années 1970, nous renvoient nos premiers aperçus de cette étrange région que nous appelons l'espace interstellaire. Premiers objets fabriqués par l'homme à quitter notre système solaire, ils s'aventurent dans des territoires inexplorés, à des milliards de kilomètres de chez nous. Aucun autre vaisseau spatial n'a encore parcouru une telle distance.

Et ils ont révélé qu'au-delà des limites de notre système solaire se trouve une région invisible d'activité chaotique et moussante.

"Lorsque vous regardez différentes parties du spectre électromagnétique, cette région de l'espace est très différente de l'obscurité que nous percevons avec nos yeux", explique Michele Bannister, astronome à l'université de Canterbury à Christchurch, en Nouvelle-Zélande, qui étudie les confins du système solaire. "Les champs magnétiques se battent, se poussent et s'attachent les uns aux autres. L'image que vous devriez avoir est comme le bassin de plongée sous les chutes du Niagara".

CRÉDIT PHOTO, NASA/HUBBLELégende image, Des explosions comme celles des supernovae lancent des rayons cosmiques dans toutes les directions dans l'espace interstellaire

Cependant, au lieu de faire culbuter l'eau, la turbulence est le résultat du vent solaire - un flux constant et puissant de particules chargées, ou plasma, qui est projeté dans toutes les directions depuis le Soleil - lorsqu'il s'écrase sur un cocktail de gaz, de poussière et de rayons cosmiques qui souffle entre les systèmes stellaires, connu sous le nom de "milieu interstellaire".

Au cours du siècle dernier, les scientifiques ont pu se faire une idée de la composition du milieu interstellaire, en grande partie grâce à des observations effectuées à l'aide de radiotélescopes et de télescopes à rayons X. Ils ont révélé qu'il est composé d'atomes d'hydrogène ionisés extrêmement diffus, de poussière et de rayons cosmiques, entrecoupés de nuages moléculaires denses de gaz que l'on pense être le lieu de naissance de nouvelles étoiles.

Mais sa nature exacte, juste à l'extérieur de notre système solaire, est restée en grande partie un mystère, principalement parce que le Soleil, les huit planètes et un lointain disque de débris connu sous le nom de ceinture de Kuiper, sont tous contenus dans une bulle protectrice géante formée par le vent solaire, appelée héliosphère. Lorsque le Soleil et les planètes qui l'entourent se précipitent à travers la galaxie, cette bulle se heurte au milieu interstellaire comme un bouclier invisible, empêchant la majorité des rayons cosmiques nocifs et autres matériaux d'entrer.

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Mais ses propriétés vitales rendent également plus difficile l'étude de ce qui se trouve au-delà de la bulle. Il est même difficile de déterminer sa taille et sa forme de l'intérieur.

"C'est comme si vous étiez à l'intérieur de votre maison et que vous vouliez savoir à quoi elle ressemble. Il faut aller dehors et jeter un coup d'œil pour vraiment savoir", explique Elena Provornikova, chercheuse postdoctorale au laboratoire de physique appliquée de l'université Johns Hopkins. "La seule façon d'avoir une idée est de voyager loin du Soleil, de regarder en arrière, et de prendre une image de l'extérieur de l'héliosphère".

Ce n'est pas une tâche facile. Comparé à l'ensemble de la Voie lactée, notre système solaire semble plus petit qu'un grain de riz flottant au milieu du Pacifique. Et pourtant, la limite extérieure de l'héliosphère est encore si lointaine qu'il a fallu plus de 40 ans aux vaisseaux Voyager 1 et Voyager 2 pour l'atteindre en provenance de la Terre.

Voyager 1, qui a emprunté une route plus directe à travers le système solaire, s'est évanoui dans l'espace interstellaire en 2012, avant que Voyager 2 ne le rejoigne en 2018. Actuellement à environ 13 milliards et 11 milliards de kilomètres de la Terre respectivement, ils dérivent maintenant, toujours plus loin dans l'espace au-delà de notre système solaire, en renvoyant plus de données comme ils le font.

CRÉDIT PHOTO, NASA/JPL-CALTECHLégende image, Le vaisseau spatial Voyager, de la taille d'une voiture, a été lancé en 1977 et renvoie aujourd'hui des données depuis l'espace interstellaire

Ce que ces deux sondes vieillissantes ont révélé sur la frontière entre l'héliosphère et le milieu interstellaire a fourni de nouveaux indices sur la façon dont notre système solaire s'est formé, et comment la vie sur Terre est même possible. Loin d'être une frontière distincte, la limite même de notre système solaire est en fait le siège de champs magnétiques tourbillonnants, de tempêtes de vent stellaire, de tempêtes de particules de haute énergie et de radiations tourbillonnantes.

La taille et la forme de la bulle de l'héliosphère se modifient au fur et à mesure que la production du Soleil change et que nous traversons différentes régions du milieu interstellaire. Lorsque le vent solaire monte ou descend, il modifie la pression exercée sur la bulle vers l'extérieur.

En 2014, l'activité du Soleil a connu une forte hausse, envoyant ce qui équivalait à un ouragan de vent solaire dans l'espace. L'explosion a rapidement balayé Mercure et Vénus à près de 800 km par seconde (497 miles par seconde). Après deux jours et 150 millions de km, il a enveloppé la Terre. Heureusement, le champ magnétique de notre planète nous a protégés de son rayonnement puissant et dommageable.

La rafale a dépassé Mars un jour plus tard et a continué à travers la ceinture d'astéroïdes vers les géantes gazeuses lointaines - Jupiter, Saturne, Uranus et après plus de deux mois, Neptune, qui orbite à près de 4,5 milliards de km du Soleil.

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Après plus de six mois, le vent a finalement atteint un point situé à plus de 13 milliards de km du Soleil, connu sous le nom de "choc de terminaison". Ici, le champ magnétique du Soleil, qui propulse le vent solaire, devient suffisamment faible pour que le milieu interstellaire puisse le pousser contre lui.

La rafale de vent solaire issue du choc de terminaison se déplace à moins de la moitié de sa vitesse précédente - l'ouragan est alors déclassé en tempête tropicale. Puis, fin 2015, il a dépassé la forme irrégulière de Voyager 2, qui est à peu près de la taille d'une petite voiture. La surcharge de plasma a été détectée par les technologies de détection de Voyager, vieilles de 40 ans, alimentées par une batterie au plutonium se décomposant lentement.

La sonde a renvoyé des données vers la Terre, qui, même à la vitesse de la lumière, a mis 18 heures pour nous atteindre. Les astronomes ne pouvaient recevoir les informations de Voyager que grâce à un réseau massif d'antennes paraboliques de 70 mètres et à une technologie avancée qui n'avait pas été imaginée, et encore moins inventée, lorsque la sonde a quitté la Terre en 1977.

CRÉDIT PHOTO, NASALégende image, Le Soleil produit un barrage constant de particules à haute énergie, connu sous le nom de vent solaire, qui peut monter et descendre avec l'activité de notre étoile

La vague de vent solaire a atteint Voyager 2 alors qu'il était encore juste à l'intérieur de notre système solaire. Un peu plus d'un an plus tard, les derniers souffles du vent mourant ont atteint Voyager 1, qui avait traversé l'espace interstellaire en 2012.

Les différentes routes empruntées par les deux sondes signifiaient que l'une se trouvait à environ 30 degrés au-dessus du plan solaire, l'autre à la même hauteur en dessous. Le vent solaire a atteint les sondes dans différentes régions à différents moments, ce qui a fourni des indices utiles sur la nature de l'héliopause.

Les données ont révélé que la limite de turbulence est épaisse de plusieurs millions de kilomètres. Elle couvre des milliards de kilomètres carrés autour de la surface de l'héliosphère.

L'héliosphère est également d'une taille inattendue, ce qui suggère que le milieu interstellaire dans cette partie de la galaxie est moins dense que ce que l'on pensait. Le Soleil se fraye un chemin à travers l'espace interstellaire comme un bateau qui se déplace dans l'eau, créant une "vague de proue" et étirant un sillage derrière lui, éventuellement avec une (ou des) queue(s) de formes similaires à celles des comètes. Les deux voyageurs sont sortis par le "nez" de l'héliosphère, et n'ont donc fourni aucune information sur la queue.

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"Selon les estimations des Voyagers, l'héliopause a une épaisseur d'environ une unité astronomique (93 millions de miles, soit la distance moyenne entre la Terre et le Soleil)", explique Mme Provornikova. "Ce n'est pas vraiment une surface. C'est une région avec des processus complexes. Et nous ne savons pas ce qui s'y passe".

Non seulement les vents solaires et interstellaires créent une turbulente lutte à la corde dans la région frontalière, mais les particules semblent échanger leurs charges et leur élan. En conséquence, une partie du milieu interstellaire se transforme en vent solaire, ce qui augmente la poussée de la bulle vers l'extérieur.

Et si une poussée de vent solaire peut fournir des données intéressantes, elle semble avoir un effet étonnamment faible sur la taille et la forme globale de la bulle. Il semble que ce qui se passe en dehors de l'héliosphère importe beaucoup plus que ce qui se passe à l'intérieur. Le vent solaire peut augmenter ou diminuer avec le temps sans avoir l'air d'affecter la bulle de façon dramatique. Mais si cette bulle se déplace dans une région de la galaxie où le vent interstellaire est plus ou moins dense, alors elle va se contracter ou croître.

Mais de nombreuses questions restent sans réponse, y compris celles qui concernent la nature exacte de notre bulle de vent solaire protecteur.

CRÉDIT PHOTO, NASALégende image, L'héliosphère du Soleil forme une longue queue lorsqu'il se fraye un chemin à travers le milieu interstellaire lors de son voyage autour de la galaxie

Selon Mme Provornikova, une meilleure compréhension de notre propre héliosphère peut nous permettre de mieux savoir si nous sommes seuls dans l'univers.

"Ce que nous étudions dans notre propre système nous renseignera sur les conditions de développement de la vie dans d'autres systèmes stellaires", dit-elle.

Cela est dû en grande partie au fait qu'en maintenant le milieu interstellaire à distance, le vent solaire empêche également un bombardement de radiations et de particules mortelles de haute énergie - comme les rayons cosmiques - provenant de l'espace lointain. Les rayons cosmiques sont des protons et des noyaux atomiques qui traversent l'espace à une vitesse proche de celle de la lumière. Ils peuvent être générés lorsque les étoiles explosent, lorsque les galaxies s'effondrent en trous noirs et lors d'autres événements cosmiques cataclysmiques. La région située à l'extérieur de notre système solaire est épaisse d'une pluie continue de ces particules subatomiques à grande vitesse, qui seraient assez puissantes pour provoquer un empoisonnement par radiation mortel sur une planète moins abritée.

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"Voyager a définitivement dit que 90% de ces radiations sont filtrées par le Soleil", explique Jamie Rankin, chercheur en héliophysique à l'université de Princeton, et première personne à écrire une thèse de doctorat basée sur les données interstellaires des Voyager. "Si le vent solaire ne nous protégeait pas, je ne sais pas si nous serions en vie."

Trois autres sondes de la NASA rejoindront bientôt les Voyagers dans l'espace interstellaire, bien que deux d'entre elles soient déjà à court d'énergie et aient cessé de renvoyer des données. Ces quelques minuscules piqûres dans la frontière géante ne fourniront jamais que des informations limitées par elles-mêmes. Heureusement, des observations plus étendues peuvent être faites plus près de chez nous.

L'International Boundary Explorer (Ibex) de la NASA, un minuscule satellite en orbite autour de la Terre depuis 2008, détecte des particules appelées "atomes neutres énergétiques" qui traversent la frontière interstellaire. Ibex crée des cartes en trois dimensions des interactions qui se produisent tout autour de la bordure de l'héliosphère.

CRÉDIT PHOTO, NASALégende image, La mission Ibex a détecté un ruban d'atomes à haute énergie qui sont réfléchis par le champ magnétique galactique depuis le bord de l'héliosphère

On peut considérer les cartes des Ibex comme une sorte de "radar Doppler" et les Voyagers comme des stations météo sur le terrain", dit Rankin. Elle a utilisé les données des Voyagers, des Ibex et d'autres sources pour analyser les petites poussées du vent solaire, et travaille actuellement sur un document basé sur l'explosion beaucoup plus importante qui a commencé en 2014. Déjà, les preuves montrent que l'héliosphère se rétrécissait lorsque Voyager 1 a franchi la frontière, mais qu'elle s'étendait à nouveau lorsque Voyager 2 a traversé.

"C'est une frontière assez dynamique", dit-elle. "C'est assez étonnant que cette découverte ait été saisie dans les cartes 3D d'Ibex, qui nous ont permis de suivre les réactions locales des Voyagers en même temps."

Ibex a révélé à quel point la frontière peut être dynamique. Dès la première année, il a détecté un ruban géant d'atomes énergétiques qui serpentait à travers la frontière et qui changeait au fil du temps, avec des caractéristiques qui apparaissaient et disparaissaient en six mois seulement. Le ruban s'avère être une région au nez de l'héliosphère où les particules du vent solaire rebondissent sur le champ magnétique galactique et sont réfléchies dans le système solaire.

CRÉDIT PHOTO, NASA/JPL-CALTECH/GSFCLégende image, Lorsque Voyager 2 a quitté le système solaire, il a détecté un pic spectaculaire des rayons cosmiques dont l'héliosphère nous protège

Mais il y a un rebondissement dans l'histoire du Voyager. Bien qu'ils aient quitté l'héliosphère, ils sont encore à portée de beaucoup d'autres influences de notre Soleil. La lumière du Soleil, par exemple, serait visible à l'œil nu depuis d'autres étoiles. La gravité de notre étoile s'étend également bien au-delà de l'héliosphère, maintenant en place une sphère lointaine et éparse de glace, de poussière et de débris spatiaux, connue sous le nom de nuage de Oort.

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Les objets de Oort sont toujours en orbite autour du Soleil, même s'ils flottent loin dans l'espace interstellaire. Alors que certaines comètes ont des orbites qui s'étendent jusqu'au nuage de Oort, une région de 186 à 930 milliards de miles (300 à 1500 milliards de km) est généralement considérée comme trop éloignée pour que nous puissions y envoyer nos propres sondes.

Ces objets éloignés ont à peine changé depuis le début du système solaire et peuvent être la clé de tout, de la formation des planètes à la probabilité que la vie se développe dans notre univers. Et avec chaque vague de nouvelles données, de nouveaux mystères et de nouvelles questions émergent également.

CRÉDIT PHOTO, NASA/JPL-CALTECHLégende image, Voyager 1 a traversé l'espace interstellaire en 2012 100 unités astronomiques depuis le Soleil mais il a toujours le vaste nuage de Oort devant lui

Selon Mme Provornikova, il pourrait y avoir une couverture d'hydrogène couvrant une partie ou la totalité de l'héliosphère, dont les effets n'ont pas encore été décryptés. En outre, l'héliosphère semble se transformer en un nuage interstellaire de particules et de poussières, vestiges d'anciens événements cosmiques dont les effets sur la frontière - et sur ceux d'entre nous qui y vivent - n'ont pas été prédits.

"Cela pourrait changer les dimensions de l'héliosphère, elle pourrait changer sa forme", dit Mme Provornikova. "Elle pourrait avoir des températures différentes, des champs magnétiques différents, une ionisation différente et tous ces paramètres différents. C'est très excitant parce que c'est un domaine qui a fait l'objet de nombreuses découvertes, et nous en savons si peu sur cette interaction entre notre étoile et la galaxie locale".

Quoi qu'il arrive, deux assortiments de métal de la taille d'une voiture, boulonnés à de petites boîtes paraboliques - les intrépides sondes Voyager - seront l'avant-garde de notre système solaire, révélant toujours plus de choses sur ce territoire étrange et inexploré alors que nous avançons dans l'espace.