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Il y a cent ans le 29 mai 1919, les mesures d’une éclipse solaire permettaient de vérifier la théorie de la relativité générale d’Einstein. Même avant cela, Einstein avait développé la théorie de la relativité restreinte, qui a révolutionné notre façon de comprendre la lumière.

Voyager à la vitesse de la lumière

À ce jour, elle fournit des indications sur la manière dont les particules se déplacent dans l’espace, un domaine de recherche essentiel pour protéger les engins spatiaux et les astronautes des rayonnements.
Cette théorie de la relativité restreinte a montré que les particules de lumière, les photons, traversaient le vide à une vitesse constante de 300 000 km/s, une vitesse extrêmement difficile à atteindre et impossible à surpasser dans cet environnement. Pourtant, partout dans l’espace, des trous noirs à notre environnement proche de la Terre, les particules sont en fait accélérées à des vitesses incroyables, certaines atteignant même 99,9% de la vitesse de la lumière.
L’un des travaux de la NASA consiste à mieux comprendre comment ces particules sont accélérées. Cette étude de ces particules ultrarapides ou relativistes peut en fin de compte aider à protéger les missions explorant le système solaire, se rendant sur la Lune, et pouvant nous en apprendre davantage sur notre quartier galactique: une particule bien ciblée, d’une vitesse proche de la vitesse de la lumière pourraient avoir des effets négatifs sur les radiations sur les astronautes voyageant dans l’espace lorsqu’ils se rendent sur la Lune ou au-delà.
Voici trois façons dont l’accélération se produit.

1. Des champs électromagnétiques

La plupart des processus qui accélèrent les particules à des vitesses relativistes fonctionnent avec des champs électromagnétiques – la même force qui maintient les aimants sur votre réfrigérateur. Les deux composants, les champs électriques et magnétiques, ressemblent aux deux faces d’une même pièce de monnaie, agissant ensemble pour fouetter des particules à des vitesses relativistes dans tout l’Univers.

En substance, les champs électromagnétiques accélèrent les particules chargées, car celles-ci ressentent une force dans un champ électromagnétique qui les pousse, de la même manière que la gravité tire les objets ayant une masse. Dans de bonnes conditions, les champs électromagnétiques peuvent accélérer les particules à une vitesse proche de la lumière.
Sur Terre, les champs électriques sont souvent spécifiquement exploités à plus petite échelle pour accélérer les particules dans les laboratoires. Les accélérateurs de particules, tels que Large Hadron Collider et Fermilab, utilisent des champs électromagnétiques pulsés pour accélérer les particules chargées jusqu’à 99,99999896% la vitesse de la lumière.
À ces vitesses, les particules peuvent être se fracasser ensemble pour produire des collisions avec des quantités énormes d’énergie. Cela permet aux scientifiques de rechercher des particules élémentaires et de comprendre à quoi ressemblait l’Univers dans les toutes premières fractions de seconde après le Big Bang.

2. Les explosions magnétiques

Les champs magnétiques sont omniprésents dans l’espace, entourant la Terre et recouvrant le système solaire. Ils guident même les particules chargées qui se déplacent dans l’espace, qui s’enroule en spirale autour de ces champs.
Lorsque ces champs magnétiques se rencontrent, ils peuvent s’emmêler. Lorsque la tension entre les lignes croisées devient trop importante, les lignes se cassent et se réalignent de manière explosive selon un processus appelé reconnexion magnétique. Le changement rapide dans le champ magnétique d’une région crée des champs électriques, ce qui provoque l’élimination de toutes les particules chargées correspondantes à des vitesses élevées.
Les scientifiques soupçonnent que la reconnexion magnétique est un moyen par lequel les particules du vent solaire, qui est le flux constant de particules chargées émises par le Soleil, sont accélérées à des vitesses relativistes.
Ces particules rapides créent également une variété d’effets secondaires près des planètes. La reconnexion magnétique se produit près de nous aux points où le champ magnétique du Soleil pousse contre la magnétosphère terrestre, son environnement magnétique protecteur. Lorsque la reconnexion magnétique se produit sur le côté de la Terre opposé au soleil, les particules peuvent être projetées dans la haute atmosphère de la Terre où elles provoquent des aurores. La reconnexion magnétique est également considérée comme responsable vis-à-vis d’autres planètes comme Jupiter et Saturne, mais de manière légèrement différente.
magnétosphère-terre
Les engins spatiaux magnétosphériques à plusieurs échelles de la NASA ont été conçus et construits de manière à comprendre tous les aspects de la reconnexion magnétique. À l’aide de quatre engins spatiaux identiques, la mission survole la Terre pour capturer la reconnexion magnétique en action. Les résultats des données analysées peuvent aider les scientifiques à comprendre l’accélération des particules à des vitesses relativistes autour de la Terre et dans tout l’Univers.

3. Les interactions onde-particule

Les particules peuvent être accélérées par des interactions avec des ondes électromagnétiques, appelées interactions onde-particule. Lorsque des ondes électromagnétiques entrent en collision, leurs champs peuvent se compresser. Les particules chargées qui rebondissent entre les vagues peuvent gagner une énergie similaire à celle d’une balle qui rebondit entre deux murs en fusion.
Ces types d’interactions se produisent constamment dans l’espace proche de la Terre et sont responsables de l’accélération des particules jusqu’à des vitesses pouvant endommager les composants électroniques des engins spatiaux et les satellites dans l’espace. Les missions de la NASA, telles que les sondes Van Allen, aident les scientifiques à comprendre les interactions onde-particule.
On pense également que les interactions onde-particule sont responsables de l’accélération de certains rayons cosmiques extérieurs à notre système solaire. Après une explosion d’une supernova, une coquille dense et chaude de gaz comprimé appelée onde explosive est éjectée du noyau stellaire.
Remplies de champs magnétiques et de particules chargées , les interactions onde-particule dans ces bulles peuvent émettre des rayons cosmiques de haute énergie à 99,6% de la vitesse de la lumière. Les interactions onde-particule peuvent également être partiellement responsables de l’accélération du vent solaire et des rayons cosmiques du Soleil.
Source : NASA’s Goddard Space Flight Center
Crédit photo : Pixabay / NASA’s Goddard Space Flight Center (gif animé)

Trois façons de voyager à (presque) la vitesse de la lumièremartinEspace
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