Comment la sonde solaire Parker a-t-elle «touché» le soleil sans fondre ?
Parker Solar Probe : première visite de l’humanité à une étoile
La mission historique Parker Solar Probe de la NASA révolutionne notre compréhension du Soleil, où des conditions changeantes peuvent se propager dans le système solaire, affectant la Terre et d’autres mondes. Parker Solar Probe voyage à travers l’atmosphère du Soleil, plus près de la surface que n’importe quel vaisseau spatial avant lui, faisant face à des conditions de chaleur et de rayonnement brutales pour fournir à l’humanité les observations les plus proches d’une étoile.
Afin de percer les mystères de l’atmosphère solaire, Parker Solar Probe utilise la gravité de Vénus au cours de sept survols sur près de sept ans pour rapprocher progressivement son orbite du Soleil. Le vaisseau spatial volera à travers l’atmosphère du Soleil aussi près que 3,8 millions de miles de la surface de notre étoile, bien dans l’orbite de Mercure et plus de sept fois plus près que n’importe quel vaisseau spatial auparavant. (La distance moyenne de la Terre au Soleil est de 93 millions de miles.)
Volant pour la première fois dans la partie la plus externe de l’atmosphère du Soleil, connue sous le nom de couronne, Parker Solar Probe utilise une combinaison de mesures in situ et d’imagerie pour révolutionner notre compréhension de la couronne et élargir nos connaissances sur l’origine et l’évolution du vent solaire. Il apporte également des contributions essentielles à notre capacité à prévoir les changements dans l’environnement spatial de la Terre qui affectent la vie et la technologie sur Terre.
Exploration extrême
Parker Solar Probe effectue ses investigations scientifiques dans une région dangereuse de chaleur intense et de rayonnement solaire. Le vaisseau spatial volera suffisamment près du Soleil pour voir le vent solaire passer de subsonique à supersonique, et il volera à travers le lieu de naissance des particules solaires les plus énergétiques.
Pour effectuer ces enquêtes sans précédent, le vaisseau spatial et les instruments sont protégés de la chaleur du Soleil par un bouclier en composite de carbone de 4,5 pouces d’épaisseur (11,43 cm), qui doit résister à des températures à l’extérieur du vaisseau spatial qui atteignent près de 2 500 F (1 377 C).
La science du soleil
Les principaux objectifs scientifiques de la mission sont de retracer comment l’énergie et la chaleur se déplacent à travers la couronne solaire et d’explorer ce qui accélère le vent solaire ainsi que les particules énergétiques solaires. Les scientifiques ont cherché ces réponses pendant plus de 60 ans, mais l’enquête nécessite d’envoyer une sonde à travers la chaleur de 2 500 degrés Fahrenheit de la couronne. Aujourd’hui, c’est enfin possible grâce aux avancées d’ingénierie thermique de pointe qui protègent la mission dans son dangereux voyage. Parker Solar Probe propose quatre suites d’instruments conçues pour étudier les champs magnétiques, le plasma et les particules énergétiques, et imager le vent solaire.
Faire équipe pour réussir
Parker Solar Probe fait partie du programme Living With a Star de la NASA pour explorer les aspects du système Soleil-Terre qui affectent directement la vie et la société. Le programme de vol Living With a Star est géré par le Goddard Space Flight Center de l’agence à Greenbelt, Maryland, pour la Direction des missions scientifiques de la NASA à Washington. Le laboratoire de physique appliquée (APL) de l’Université Johns Hopkins à Laurel, dans le Maryland, gère la mission pour la NASA. APL a conçu, construit et exploite le vaisseau spatial.
Pourquoi étudions-nous le Soleil et le vent solaire ? 
Le Soleil est la seule étoile que nous puissions étudier de près. En étudiant cette étoile avec laquelle nous vivons, nous en apprenons davantage sur les étoiles de tout l’univers.
Le Soleil affecte également la Terre de manière moins familière. C’est la source du vent solaire ; un flux de gaz ionisés du Soleil qui traverse la Terre à des vitesses de plus de 500 km par seconde (un million de miles par heure).
Les perturbations du vent solaire secouent le champ magnétique terrestre et pompent de l’énergie dans les ceintures de rayonnement, faisant partie d’un ensemble de changements dans l’espace proche de la Terre connu sous le nom de météo spatiale.
La météo spatiale peut modifier les orbites des satellites, raccourcir leur durée de vie ou interférer avec l’électronique embarquée. Plus nous en apprenons sur les causes de la météo spatiale – et sur la façon de la prévoir – plus nous pouvons protéger les satellites dont nous dépendons.
Le vent solaire remplit également une grande partie du système solaire, dominant l’environnement spatial bien au-delà de la Terre. Alors que nous envoyons des vaisseaux spatiaux et des astronautes de plus en plus loin de chez nous, nous devons comprendre cet environnement spatial tout comme les premiers marins devaient comprendre l’océan.
La sonde solaire Parker de la NASA et l’étrange affaire de la couronne chaude
Un bouclier thermique innovant, des capteurs avancés et un système de refroidissement efficace ont aidé la sonde solaire Parker à rester froide à l’approche de l’un des environnements les plus hostiles du système solaire.
Le 28 avril 2021, la sonde solaire Parker de la NASA est devenue le tout premier vaisseau spatial à « toucher » le soleil en plongeant dans les profondeurs de l’atmosphère solaire. La NASA a confirmé plus tard, le 14 décembre 2021, que la sonde s’était approchée du soleil et avait échantillonné des particules, et mesuré des champs magnétiques au cours du processus. Le monde entier a accueilli la nouvelle avec admiration et étonnement.
La sonde solaire Parker
La sonde solaire Parker marque le premier voyage de l’humanité vers une étoile. Aucun autre vaisseau spatial n’a jamais atteint cette proximité de notre soleil, et encore moins une étoile d’un autre système solaire ! Avec une masse de 735 kg et à peine la taille d’une petite voiture, c’est l’un des engins spatiaux les plus légers, mais aussi l’un des plus puissants de l’histoire de la NASA.
La sonde est également l’objet fabriqué par l’homme le plus rapide de tous les temps, avec la capacité d’atteindre une vitesse de près de 692 000 km/h. De plus, la sonde solaire Parker est le premier vaisseau spatial de la NASA à porter le nom d’une personne vivante, l’astrophysicien Dr. Eugene Parker, qui en 1958 a prédit l’existence de vents solaires.
Que signifie « toucher le soleil » ?
Il est impossible de faire atterrir un vaisseau spatial à la surface du soleil car, contrairement à la plupart des planètes, le soleil n’a pas de surface solide. Notre soleil est essentiellement une sphère de gaz surchauffés et de plasma maintenus ensemble par la gravité. Le soleil se compose de sept couches ; 3 couches intérieures et 4 couches extérieures.
La zone de convection est la région où le rayonnement se déplace vers l’extérieur sous la forme de courants de convection. Les courants de convection se produisent lorsque les gaz chauds montent et que les gaz froids descendent.
Les couches externes du soleil sont la photosphère, la chromosphère, la région de transition et la couronne. La photosphère est connue comme la surface du soleil. C’est la couche que nous « voyons » lorsque nous regardons le soleil, et elle forme une frontière entre les couches internes et l’atmosphère solaire.
La couronne solaire
La chromosphère, la couche de transition et la couronne forment l’atmosphère solaire. La couronne est la couche la plus externe de l’atmosphère solaire et est visible lors d’une éclipse solaire. Cette couche a l’air hérissée et irrégulière, un peu comme une couronne. Par conséquent, il porte le nom du mot latin pour couronne – Corona.
Parmi ces couches, la sonde Parker a atteint la couronne solaire. Ainsi, lorsque nous disons que la sonde a touché le soleil, nous voulons dire qu’elle a volé dans la couronne.
Maintenant, plongeons dans la vraie question… Comment la sonde a-t-elle fait pour arriver jusqu’ici sans fondre ?
Pourquoi la sonde ne fond-elle pas ? 
La sonde solaire Parker est une merveille d’ingénierie et de technologie. Il a utilisé une science avancée et une technologie de pointe pour survivre à l’environnement stellaire mortel.
Chaleur vs Température
Le soleil lui-même est l’un des facteurs qui assurent la sécurité de la sonde. Pour comprendre cela, clarifions ce que sont exactement la chaleur et la température.
La chaleur définit l’énergie totale d’un système (énergie cinétique + énergie potentielle). La température, quant à elle, est une mesure de l’énergie cinétique moyenne d’un système, une mesure de la vitesse à laquelle les particules se déplacent.
Pour résumer, ce n’est pas parce que quelque chose a une température élevée qu’il a nécessairement une énergie thermique élevée. La chaleur transférée dépend de la quantité et de la densité des particules dans le système. C’est un cas similaire avec le soleil. La couronne a une température très élevée, car les particules ont une énergie cinétique élevée. Cependant, la couronne a également une faible densité, car les particules à haute température se dispersent sur une grande surface. Ainsi, comparativement, seules quelques particules du soleil interagiront avec la sonde, ce qui réduit considérablement le risque de dommages causés par la chaleur. Ainsi, même si la couronne a une température de 1 million de degrés Celsius, elle ne chauffera la sonde qu’à environ 1400° C.
Le bouclier thermique
Tout comme nous utilisons un parapluie pour nous protéger du soleil, la sonde utilise un bouclier thermique avancé appelé le système de protection thermique (TPS), qui est un bouclier en carbone de 2,5 mètres de large et de 11,5 cm d’épaisseur qui protège le vaisseau spatial du soleil. Soleil. Le bouclier thermique est constitué d’un noyau en mousse de carbone léger pris en sandwich entre deux panneaux de composite carbone-carbone surchauffé. La surface du bouclier orientée vers le soleil est en outre peinte avec un revêtement blanc spécial qui reflète la majeure partie de la lumière du soleil qui tombe dessus.
Le composite carbone-carbone est constitué de fibres de carbone noyées dans une matrice de carbone. C’est l’un des meilleurs matériaux à utiliser comme bouclier thermique en raison de sa légèreté, de sa résistance aux hautes températures et de sa stabilité structurelle. Le noyau en mousse est composé à près de 97% d’air et agit comme un bon isolant thermique. Ainsi, le TPS peut supporter des températures allant jusqu’à 1650 o C.
Cette vidéo de la NASA démontre l’efficacité du bouclier thermique :
Les capteurs solaires
Étant donné que la majeure partie de la sonde se trouve derrière le bouclier thermique, même un léger désalignement peut exposer l’ensemble du vaisseau spatial à la chaleur du soleil. Dans un tel cas, il est impossible de contrôler l’orientation de la sonde depuis la terre, car cela prend beaucoup de temps. Bref, là-bas, la sonde est toute seule.
Ainsi, la sonde a un mécanisme intégré pour détecter son propre alignement avec le soleil. Sept capteurs solaires sont placés le long des bords du vaisseau spatial. Lorsque l’un de ces capteurs détecte la lumière du soleil, il avertit l’ordinateur central et le vaisseau spatial réaligne sa position. De cette façon, les instruments restent à l’abri de l’environnement solaire hostile.
La tasse de sonde solaire
Même si la plupart des vaisseaux spatiaux sont cachés derrière le bouclier thermique, il y a quelques parties qui ressortent courageusement et s’exposent au rayonnement mortel du soleil. Ces pièces ont été construites spécifiquement pour résister à toutes les émissions de chaleur et de particules qu’elles subiraient.
L’une des parties les plus importantes de la sonde est la Solar Probe Cup ou la Faraday Cup. Cette coupe fait directement face au soleil, pour collecter et détecter les particules à haute énergie qui viennent en rafales vers elle. La coupelle est en alliage de molybdène à très haut point de fusion (2 349 o C) et ses grilles électriques sont en tungstène, le métal au point de fusion le plus élevé (3 422 o C).
De plus, pour éviter que le câblage électrique de l’instrument ne fonde, ils sont en niobium et suspendus dans des tubes en verre saphir.
Le système de refroidissement par eau
Évidemment, la meilleure source d’énergie pour propulser un vaisseau spatial volant vers le soleil est l’énergie solaire elle-même ! Cependant, trop d’énergie solaire peut aussi être un fléau. Une immense quantité de lumière solaire peut surchauffer et endommager les panneaux solaires à l’intérieur du vaisseau spatial. Pour éviter cela, les panneaux solaires sont conçus de manière à se rétracter et à n’exposer qu’une partie de leur surface à la lumière du soleil lors d’approches rapprochées. Cela a empêché la surabsorption de la lumière du soleil, tout en fournissant suffisamment d’énergie pour alimenter le vaisseau spatial.
Les panneaux solaires sont également refroidis à l’aide d’un simple mécanisme de refroidissement. Le vaisseau spatial utilise un système de refroidissement à panneaux solaires refroidi par eau. La sonde utilise environ 3,6 litres d’eau pour refroidir les panneaux solaires. L’eau s’écoule à travers de petits canaux encastrés dans les panneaux solaires et absorbe ensuite l’excès de chaleur. L’eau chaude s’écoule ensuite dans quatre radiateurs où la chaleur est rayonnée dans l’espace. Cela maintient les panneaux solaires suffisamment froids pour fonctionner efficacement. C’est ainsi que la Parker Solar Probe reste au frais, même lorsqu’elle se dirige droit vers le soleil !
Expliquer les secrets de la couronne
Parker Solar Probe testera deux théories principales pour expliquer le chauffage coronal. Les couches extérieures du Soleil sont constamment en ébullition et bouillonnent d’énergie mécanique. Alors que des cellules massives de plasma chargé traversent le Soleil – un peu comme des bulles distinctes roulent dans une casserole d’eau bouillante – leur mouvement fluide génère des champs magnétiques complexes qui s’étendent loin dans la couronne. D’une manière ou d’une autre, les champs enchevêtrés canalisent cette énergie féroce dans la couronne sous forme de chaleur – comment ils le font est ce que chaque théorie tente d’expliquer.
Des découvertes à venir
Il y a un enthousiasme et une excitation parmi les scientifiques solaires : la mission de Parker Solar Probe marque un tournant dans l’histoire de l’astrophysique, et ils ont une réelle chance de percer les mystères qui ont confondu leur domaine pendant près de 150 ans.
En reconstituant le fonctionnement interne de la couronne, les scientifiques parviendront à une compréhension plus approfondie de la dynamique qui déclenche les événements météorologiques spatiaux, façonnant les conditions dans l’espace proche de la Terre. Mais les applications de cette science s’étendent également au-delà du système solaire. Le Soleil ouvre une fenêtre sur la compréhension d’autres étoiles – en particulier celles qui présentent également un chauffage semblable au Soleil – des étoiles qui pourraient potentiellement favoriser des environnements habitables mais qui sont trop éloignées pour être étudiées. Et éclairer la physique fondamentale des plasmas pourrait probablement en apprendre beaucoup aux scientifiques sur la façon dont les plasmas se comportent ailleurs dans l’univers, comme dans les amas de galaxies ou autour des trous noirs.
Il est également tout à fait possible que nous n’ayons même pas imaginé les plus grandes découvertes à venir. Il est difficile de prédire comment la résolution du chauffage coronal modifiera notre compréhension de l’espace qui nous entoure, mais des découvertes fondamentales comme celle-ci ont la capacité de changer à jamais la science et la technologie. Le voyage de Parker Solar Probe emmène la curiosité humaine dans une région inédite du système solaire, où chaque observation est une découverte potentielle.
Conclusion
La sonde solaire Parker est l’aboutissement de décennies de recherche et de développement. Le succès de la mission est une réalisation monumentale pour la science et l’humanité. La mission est conçue pour avoir 24 approches rapprochées avec le soleil au cours de sa durée de vie estimée à sept ans (2018-2025). Avec son système de refroidissement expert, la sonde plongera dans des étendues inexplorées du soleil et dévoilera de nouveaux mystères de l’univers !
https://www.nasa.gov/content/goddard/parker-solar-probe-humanity-s-first-visit-to-a-star