Explorer les environnements plasma planétaires depuis votre ordinateur portable

Une nouvelle base de données de simulations de plasma, combinée à des données d’observation et à de puissants outils de visualisation, offre aux scientifiques planétaires un moyen sans précédent d’explorer certains des environnements plasmiques les plus intéressants du système solaire. Cette histoire d’exploration numérique de l’espace commence avec l’Integrated Medium for Planetary Exploration (IMPEx), un projet de collaboration visant à créer un centre de données commun pour les missions spatiales.

Si les missions planétaires sont cruciales pour comprendre comment le vent solaire interagit avec la magnétosphère des planètes et des lunes de notre système solaire, les modèles numériques sont, à leur tour, essentiels pour comprendre pleinement les mesures et améliorer notre connaissance des environnements plasmiques planétaires.

Le projet IMPEx a rassemblé des experts d’Autriche, de France, de Finlande et de Russie pour trouver un langage commun permettant de combiner les données de divers modèles de simulation et de comparer ces résultats numériques aux données d’observation recueillies par les missions spatiales à travers le système solaire.

C’est dans ce contexte qu’un groupe dirigé par Ronan Modolo au Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales (LATMOS), en France, a commencé à développer une collection de simulations de plasma sur différents corps planétaires. La base de données Latmos Hybrid Simulation (LatHyS) et ses utilisations sont présentées dans une nouvelle étude publiée au début de l’année dans un numéro spécial de Planetary and Space Science.

Modélisation des environnements célestes

La base de données LatHyS comprend un certain nombre de résultats de simulation du plasma – le mélange de particules chargées qui pénètre l’espace interplanétaire – sur des planètes ou des corps planétaires sélectionnés de notre système solaire. Les simulations sont basées sur des modèles numériques avancés qui prennent en compte un certain nombre de processus physiques et chimiques complexes dans les hautes atmosphères des objets célestes, leur interaction avec le vent solaire et leur réponse au rayonnement solaire.

« Jusqu’à présent, les objets célestes modélisés par les simulations de LatHyS comprennent Mars, Mercure et la lune de Jupiter, Ganymède », explique Modolo. « Nous envisageons d’étendre cette base de données à d’autres objets comme la lune de Saturne Titan et, à plus long terme, à d’autres lunes de Jupiter, comme Europa ou Callisto », ajoute-t-il.

La base de données permet à la communauté scientifique planétaire d’accéder à des données simulées sur le plasma, y compris les champs électriques et magnétiques, la densité, la température et la vitesse du plasma en vrac. LatHyS, associé à une suite d’outils d’analyse et de visualisation des données, permet aux chercheurs de combiner facilement les données de divers engins spatiaux avec les résultats de simulation, de créer des images en 3D montrant comment le vent solaire interagit avec le plasma planétaire, et bien plus encore.

« En quelques clics, l’utilisateur peut obtenir une scène tridimensionnelle réaliste de l’environnement plasmique de la planète et de la trajectoire du vaisseau spatial, avec des mesures in-situ enrichies par les résultats de la simulation », explique Dmitri Titov, scientifique du projet Mars Express de l’ESA et utilisateur de la base de données, qui n’a pas participé à l’étude.

« Les utilisateurs peuvent également utiliser cet outil pour créer des animations et, sur le plan scientifique, pour visualiser les mesures dans le contexte où elles ont été effectuées et aider à planifier les observations futures ».

Vue animée de l’environnement plasmique de Mars, avec le Mars Express de l’ESA et le vaisseau spatial MAVEN de la NASA en orbite autour de la planète rouge. Cliquez ici pour accéder à la vidéo complète.
La vidéo commence par montrer Mars et les orbites de Mars Express et MAVEN, les résultats et les observations des simulations LatHyS apparaissant plus tard. Les vecteurs de flux de plasma simulés (flèches vertes) sont comparés aux mesures de flux de vent solaire (flèches bleues) le long des trajectoires des engins spatiaux. Des cartes 2D simulées de l’écoulement du plasma dans les plans XY et XZ centrés sur Mars complètent la scène, où l’axe X pointe vers le Soleil ; ces cartes illustrent différentes régions et limites autour de la planète, y compris le choc de l’arc.
Cette animation a été obtenue grâce à l’ensemble de simulations de plasma LatHyS et à l’outil de visualisation 3DView, qui ont été développés dans le cadre de l’Integrated Medium for Planetary Exploration (IMPEx). Droits d’auteur : CNES/IRAP/GFI informatique ; LatHyS ; 3DView

Voir le système solaire en 3D

L’un des points forts de LatHyS est sa compatibilité avec 3DView, une puissante application permettant d’afficher des données scientifiques en 3D. Dans la version actuelle du visualiseur, les utilisateurs peuvent visualiser les trajectoires des engins spatiaux, la position des planètes et d’autres corps du système solaire, entre autres caractéristiques. Plus important encore, grâce à l’intégration avec IMPEx et LatHyS, 3DView peut afficher des données scientifiques provenant de plusieurs missions spatiales, ainsi que de simulations. Un nouvel article dirigé par Vincent Génot de l’Institut de recherche en astrophysique et planétologie (IRAP) de Toulouse, France, publié dans le même numéro de Planetary and Space Science, présente la dernière version de l’outil et décrit en détail comment il peut être utilisé pour afficher des données de physique spatiale.

3DView, conçu par le Centre français de données sur la physique des plasmas (CDPP), a été initialement développé en 2005 pour visualiser la trajectoire du vaisseau spatial Rosetta de l’ESA en route vers la comète. Le visualiseur comprend maintenant quelque 150 missions spatiales, dont Rosetta, Venus Express et Cassini-Huygens, ainsi que toutes les planètes et lunes du système solaire et un certain nombre d’astéroïdes et de comètes.

« 3DView offre la possibilité de visualiser les éphémérides des vaisseaux spatiaux – des missions passées, présentes et futures – et, lorsqu’elles sont disponibles, des observations sur tous les objets célestes du système solaire explorés par les missions spatiales équipées d’instruments à plasma », explique M. Génot.

L’une des principales applications de cet outil, également en combinaison avec LatHyS, est d’aider les scientifiques et les ingénieurs lors des étapes de préparation des missions spatiales, en leur permettant de visualiser les trajectoires des vaisseaux spatiaux et l’environnement des corps célestes. En 2014, une version de 3DView a aidé les scientifiques dans le processus de sélection d’un site d’atterrissage sur la comète de Rosetta pour la sonde Philae.

Bien que son principal public cible soit la communauté scientifique, 3DView attire également l’attention en tant qu’outil éducatif. Le code est open source et le logiciel est souvent utilisé dans les cours de l’enseignement supérieur pour aider les étudiants à mieux appréhender la physique spatiale.

Illustration of the ionised environment of Jupiter’s moon, Ganymede, one of the main targets of ESA’s future JUICE mission. The scene also includes a flow map on the left of the frame, and is completed by magnetic field lines that pass through the JUICE trajectory.
This image was obtained using the LatHyS set of plasma simulations and the 3DView visualization tool, which were developed as part of the Integrated Medium for Planetary Exploration (IMPEx). Copyright: CNES/IRAP/GFI informatique; LatHyS; 3DView

Qu’il s’agisse de fournir de nouvelles façons d’explorer notre système solaire, de planifier de futures missions ou d’inspirer la prochaine génération de chercheurs en sciences spatiales, LatHyS et 3DView montrent tout ce que les scientifiques et les ingénieurs peuvent gagner en combinant observations et simulations.

Ressources complémentaires

Contact IRAP

  • Vincent Génot, vincent.genot@irap.omp.eu 

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