L’astrophysicien de l’UB Merav Opher dirigera un nouveau centre scientifique DRIVE (Diversity, Realize, Integrate, Venture, Educate) de la NASA visant à développer un modèle prédictif de l’héliosphère. Photo par Cydney Scott

Sciences spatiales

L’astrophysicien de l’UB Merav Opher dirigera un centre financé par la NASA sur une mission visant à comprendre la forme et la taille de l’héliosphère

Pour comprendre l’héliosphère, une force cosmique qui, selon les astrophysiciens, nous protège des puissants rayonnements émanant de l’univers, imaginez une énorme bulle entourant le soleil. La bulle est si grande qu’elle s’étend bien au-delà de notre système solaire, et elle se déplace dans l’espace en même temps que le soleil. Personne ne connaît vraiment la forme de l’héliosphère, ni d’ailleurs sa taille.

Les astrophysiciens savent qu’à l’intérieur de l’héliosphère, il y a une tempête constante de particules chauffées et chargées qui émanent du soleil. Ils savent aussi qu’à l’extérieur de l’héliosphère, l’espace profond est parsemé de rayons cosmiques mortels. Et ils pensent que la peau de l’héliosphère agit comme un bouclier, bloquant la plupart de ces rayons et protégeant tout ce qui se trouve à l’intérieur de la bulle, le plus important, la vie sur Terre.

« Nous essayons tous de comprendre cette bulle », déclare l’astrophysicien Merav Opher, professeur associé d’astronomie au Collège des Arts &Sciences de l’Université de Boston.

Maintenant, grâce à un récent investissement de 12 millions de dollars de la NASA dans neuf nouveaux centres de recherche sur l’héliosphère dans des universités à travers les États-Unis – l’une des plus grandes initiatives de l’agence spatiale basées sur des centres visant un grand défi – les astrophysiciens du pays, y compris Opher, espèrent gravir ce qui semble être une courbe d’apprentissage très raide. À l’Université de Boston, au sein du Centre de physique spatiale de l’université, Opher sera le chercheur principal et le chef d’un nouveau centre scientifique DRIVE (Diversity, Realize, Integrate, Venture, Educate) de la NASA, qui a reçu 1,3 million de dollars. Cette équipe, composée d’experts qu’Opher a recrutés dans 11 autres universités et instituts de recherche, développera un modèle prédictif de l’héliosphère dans un effort que l’équipe a nommé SHIELD (Solar wind with Hydrogen Ion exchange and Large scale Dynamics).

L’équipe SHIELD d’Opher est chargée de trouver des réponses à quatre très grandes questions : Quelle est la structure globale de l’héliosphère ? Comment ses particules ionisées évoluent-elles et affectent-elles les processus héliosphériques ? Comment l’héliosphère interagit-elle avec, et influence-t-elle, le milieu interstellaire, la matière et le rayonnement qui existent entre les étoiles ? Et comment les rayons cosmiques sont-ils filtrés par, ou transportés à travers, l’héliosphère ?

Un deuxième projet inclus dans le centre scientifique DRIVE de la NASA dirigé par la BU développera un programme de sensibilisation – visant les étudiants de la maternelle à la 12e année jusqu’à la faculté – dans le but de former, de recruter et de retenir les populations sous-représentées dans la science du plasma spatial.

Cet effort sera dirigé par Joyce Wong, professeur de génie biomédical au BU College of Engineering et directrice du programme ARROWS (Advance, Recruit, Retain, and Organize Women in STEM) du BU. Wong explorera de nouvelles façons de diversifier le domaine du plasma spatial et de renforcer son sens de la communauté parmi les groupes sous-représentés et d’étendre les efforts de mentorat qui pourraient améliorer la diversité parmi le pool de candidats aux postes de professeurs.

Pour Opher, cet aspect du nouveau centre DRIVE de la NASA est tout aussi important que le développement d’un modèle global prédictif de l’héliosphère. En tant que l’une des très rares femmes dans le domaine de la physique spatiale et membre du groupe de travail LGBTQIA+ de la BU, Opher est depuis longtemps un puissant défenseur de l’augmentation du nombre de femmes et de groupes sous-représentés dans les STEM.

Explorer les inconnues fondamentales

Aujourd’hui, dit Opher, des conceptions aussi fondamentales que la forme de l’héliosphère restent l’objet de débats. Certains modèles suggèrent qu’elle ressemble à une comète avec une longue queue. Les recherches d’Opher, en revanche, révèlent un modèle héliosphérique ayant plutôt la forme d’un croissant.

La plupart de ce que nous savons sur l’héliosphère, dit-elle, provient de quatre projets principaux de la NASA : Voyager 1, Voyager 2, le vaisseau spatial New Horizon, et les cartes d’atomes neutres énergétiques (ENA) générées par les missions Interstellar Boundary Explorer et Cassini. Opher souligne que deux de ces sources, les sondes Voyager 1 et Voyager 2, ont été lancées en 1977, avec à bord une technologie conçue dans les années 1960. Aucune de ces sondes spatiales n’a été conçue pour étudier l’héliosphère.

Voyager 1 avait pour but d’observer Saturne, la plus grande lune de Saturne, et Jupiter, tandis que Voyager 2 visait Uranus et Neptune – toutes des destinations bien à l’intérieur des limites de l’héliosphère et de notre système solaire. Pourtant, de façon étonnante, les deux sondes ont continué au-delà de leurs cibles et, plus important encore, au-delà de la peau de l’héliosphère, d’où elles continuent à envoyer des données à la Terre.

D’autres engins spatiaux, notamment l’IBEX et Cassini, fournissent également des données sur l’héliosphère, mais Opher affirme que les modèles de ces données n’ont pas réussi jusqu’à présent à prédire la taille ou l’épaisseur de l’héliosphère. Elle ajoute que les données qui décrivent les rôles joués par la turbulence, la reconnexion, les interactions onde-particule et la conduction dans les couches externes du système solaire doivent encore être intégrées dans les modèles. Ce sera le travail de son équipe, qui espère produire un modèle prédictif qui pourra aider les chercheurs à comprendre les observations d’une sonde IMAP (Interstellar Mapping and Acceleration Probe) dont le lancement est prévu en 2024.

« Les modèles dont nous disposons actuellement ne peuvent pas prédire les réponses », dit Opher. « Nous allons donc construire de meilleurs modèles et, pour ce faire, nous avons fait appel à des experts dans de nombreux domaines ».

Parmi les experts qu’Opher a réunis, on trouve John Richardson, chercheur principal à l’Institut Kavli d’astrophysique et de recherche spatiale du MIT, qui sera le responsable du programme SHIELD. Les autres collaborateurs viennent du MIT, de l’Université du Michigan, du laboratoire de physique appliquée de l’Université Johns Hopkins, de la NASA Goddard, de l’Institut de technologie de Californie, de l’Institut de recherche du Sud-Ouest, de l’Université d’Arizona, de l’Université d’Alabama à Huntsville, de l’Université Harvard et de l’Université de Princeton.

Le financement de 1,3 million de dollars pour la première phase de l’initiative de la NASA est destiné à soutenir le centre scientifique DRIVE d’Opher pendant deux ans de recherche. La phase deux, si elle est accordée, soutiendra cinq autres années de recherche avec un financement d’environ 5 millions de dollars par an.

« L’idée est que la prochaine étape étudiera des choses comme l’effet de l’héliosphère sur l’évolution de la vie », explique Opher. « Nous savons, par exemple, que la quantité de rayonnement affecte la couverture nuageuse, et la couverture nuageuse est essentielle pour la vie. Si nous en savions plus sur les radiations sur Mars, nous pourrions dire si la vie a été possible… »

Pour les astrophysiciens, le défi intellectuel de percer les mystères de l’héliosphère est irrésistible, et l’influence de l’héliosphère sur la vie sur Terre – et peut-être sur d’autres planètes dans d’autres systèmes solaires – est le point le plus alléchant de leur quête.

« Merav est un leader mondial dans l’étude de l’héliosphère », déclare l’astrophysicien Avi Loeb, titulaire de la chaire d’astronomie de l’université Harvard. « Il n’y a personne au monde qui comprenne mieux qu’elle la physique sous-jacente. »

Opher et Loeb ont travaillé ensemble sur une nouvelle étude de la taille de notre héliosphère, et les résultats seront bientôt publiés dans Nature Astronomy. Selon Loeb, connaître la taille de l’héliosphère permettra, par exemple, de mesurer la force du vent stellaire qui la génère.

« Si ce vent stellaire est très puissant, il dépouillerait l’atmosphère des planètes de taille terrestre qui se trouvent dans la zone habitable de l’étoile », explique-t-il. « C’est particulièrement important pour les étoiles de faible masse… comme notre plus proche voisine, Proxima Centauri, qui abrite une planète dans sa zone habitable. L’étoile est des centaines de fois plus faible que Proxima Centauri et cette planète est 20 fois plus proche de l’étoile que la distance de la Terre. Par conséquent, elle est exposée à un vent plus fort. Connaître la force de ce vent nous permettra de déterminer si son atmosphère a probablement été dépouillée. »

Les données reçues des engins spatiaux distants existants de la NASA soutiennent la conviction que la peau de l’héliosphère protège la Terre des rayons cosmiques qui zèbrent l’espace profond. La part des rayons cosmiques qui traverse le bouclier, comme tout ce qui concerne l’héliosphère, est sujette à débat, mais on pense qu’elle est d’environ 25 %, ce qui est suffisant pour persuader les scientifiques que le bouclier est essentiel à la vie sur Terre et ailleurs. Car comme notre propre système solaire, chaque système stellaire possède sa propre bulle protectrice.

« Plus nous comprenons les processus de notre héliosphère, dit Opher, plus nous en savons sur les processus de toutes les astrosphères et sur les conditions nécessaires à la création de planètes habitables. »

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