Comment expliquer que lorsque l’on s’éloigne de la surface du Soleil, au lieu de baisser, la température augmente ? Beaucoup d’astronomes s’y sont cassé les dents. Mais de nouvelles données de la mission Solar Orbiter pourraient enfin expliquer le phénomène.
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Plus on s'éloigne d'une source de chaleur, moins il fait chaud. Tout le monde le sait. Par expérience. Mais ce n'est pas le cas vraiment partout. Ainsi, si la température de la surface de notre Soleil est de l'ordre de 5 500 °C, elle atteint les 2 millions de degrés dans la couche la plus externe de son atmosphèreatmosphère. Celles que les astronomesastronomes appellent la couronne. Ils l'ont découvert dans les années 1940. D'où vient cette énergie que le Soleil injecte dans sa couronne reste pourtant un mystère.
Mais grâce à des données recueillies par la mission Solar Orbiter de l'Agence spatiale européenneAgence spatiale européenne (ESA) - et croisées avec d'autres données des missions Solar Dynamics ObservatorySolar Dynamics Observatory (SDO) et Interface Region Imaging Spectrograph (IRISIRIS) de la Nasa -, le mystère pourrait être en passe d'être levé. Elles montrent en effet des événements de reconnexion magnétique persistants à de petites échelles.
La reconnexion magnétique au cœur du mystère
Le phénomène de reconnexion magnétique est connu des physiciens. Il correspond à la transformation d'un champ magnétiquechamp magnétique en une configuration plus stable. Avec libération d'énergie dans le plasma. Les astronomes imaginent qu'il est à l'origine des éruptions solaireséruptions solaires. Et jusque-là, ils n'en connaissaient que cette manifestation explosive.
Mais Solar OrbiterSolar Orbiter a montré que la reconnexion magnétique peut aussi se faire de manière plus « douce ». La mission a en effet surpris un événement du genre le 3 mars 2022. Il s'est déroulé sur une période d'une heure. Les températures autour du point où l'intensité du champ magnétique tombe à zéro - connu sous le nom de point nul - se sont maintenues à environ 10 millions de degrés. Elles ont généré un écoulement de « gouttes » discrètes de matièrematière s'éloignant du point nul à une vitessevitesse d'environ 80 km/s. Un épisode explosif de quatre minutes a également été observé autour de ce point zéropoint zéro. De quoi suggérer que la reconnexion magnétique à des échelles qui étaient auparavant trop petites pour être résolues - les chercheurs soupçonnent même que des phénomènes encore plus discrets pourraient toujours être à découvrir -, se déroule continuellement de manière douce et explosive. Elle serait alors capable de transférer de manière persistante de la massemasse et de l'énergie à la couronne sus-jacente, contribuant à la chauffer.
La réponse à l'énigme de l'atmosphère si chaude du Soleil se trouve-t-elle dans les « camp fires » ?
L'atmosphère de notre Soleil, sa couronne, est plus chaude que sa surface. Bien plus chaude. Et depuis des décennies, les astronomes cherchent l'explication à ce phénomène étrange. Aujourd'hui, une équipe voit dans des « feux de camp » observés à la surface de notre étoileétoile, un possible dénouement.
Article de Nathalie MayerNathalie Mayer paru le 30/04/2021
La couronne de notre Soleil - comprenez, son atmosphère -, c'est entre un et trois millions de degrés Celsiusdegrés Celsius. Soit plusieurs centaines de fois plus que la température qui règne à la surface de notre étoile. Pas plus de 6 000 °C. Une anomalieanomalie que les astronomes peinent à expliquer. Ils en parlent comme de l'énigme du chauffage de la couronne solairecouronne solaire. Et aujourd'hui, des chercheurs espèrent enfin faire la lumièrelumière sur le phénomène grâce à des « feux de camp » qu'ils ont observés à la surface du Soleil.
En juin dernier, l'Agence spatiale européenne avait publié des images inédites de la mission Solar Orbiter. Les plus proches jamais prises de notre Soleil, à moins de 76 millions de kilomètres. Il y apparaissait de mini-éruptions solaires, un peu partout sur la surface. Celles-là mêmes que les astronomes ont surnommées des « feux de camp ». Des éruptions durant de 10 à 200 secondes, s'étendant sur 400 à 4 000 kilomètres et se développant sur moins de 5 000 kilomètres au-dessus de la surface seulement.
Une équipe internationale de chercheurs a travaillé sur ces précieuses données pour développer des simulations informatiques. Des modèles qui sont capables de générer des « feux de camp » à la surface de notre étoile. Et ensuite de calculer l'énergie émise par le Soleil comme si elle était mesurée par un instrument dédié.
Un « feu de camp » solaire tel que généré par les simulations informatiques développées par les chercheurs à partir de données de Solar Orbiter. À gauche, une vue dans l’extrême ultraviolet semblable à celle que pourrait renvoyer la mission solaire. À droite, un magnétogramme montrant, en noir et blanc, des polarités de champ magnétique opposées, et en gris, un champ nul. Des lignes de champ colorées lui sont superposées. © Chen et al., ESA
Plus de données nécessaires pour le confirmer
Ce que les simulations ont révélé, c'est l'existence d'événements dits de reconnexion de composants autour de ces « feux de camp ». Le processus de reconnexion magnétique est bien connu des chercheurs. Il apparait lorsque des lignes de champ magnétique de direction opposée se brisent puis se reconnectent. Le processus libère de l'énergie. Ici, il est question de reconnexions qui se produisent à partir de lignes de champ presque parallèles et pointant dans une direction similaire.
Les modèles des chercheurs ont notamment montré que des lignes de champ magnétique hélicoïdales s'enroulant autour d'un axe commun déclenchent un chauffage. Une émissionémission d'énergie qui, additionnée aux nombreuses autres, serait suffisante à expliquer la température mesurée de l'atmosphère de notre Soleil.
Mais les astronomes préviennent d'ores et déjà qu'il faudra confirmer ces résultats par d'autres données. Leurs travaux, en effet, ne portent que sur sept des événements les plus brillants observés par la mission Solar Orbiter. Probablement les « feux de camp » les plus puissants. Mais, à partir de ce mois de novembre, la mission devrait entrer dans sa phase d'observation et fournir aux astronomes de nouvelles informations qui permettront peut-être enfin de résoudre l'énigme du chauffage de la couronne solaire.
Des images exceptionnelles du Soleil révèlent de minuscules « feux de camps » à sa surface
La sonde Solar Orbiter vient d'acquérir ses premières images du Soleil. Dans ces longueurs d'ondeslongueurs d'ondes, avec ce niveau de résolutionrésolution et de clarté, elles sont tout simplement les plus précises et les plus fines jamais obtenues de la surface du Soleil. Cette capacité inédite d'observer le Soleil d'aussi près promet un bond spectaculaire dans sa connaissance. Les explications d'Anne Pacros, responsable des instruments scientifiques à bord du satellite.
Article de Rémy DecourtRémy Decourt paru le 22/07/2020
L'équipe scientifique de la mission Solar Orbiter de l'Agence spatiale européenne a présenté les premières données de la sonde. Partie de la Terre en février 2020, pour une mission inédite d'exploration et d'étude du Soleil d'une duréedurée de sept à dix ans, Solar Orbiter a pour but de faire le lien entre ce qui se passe sur le Soleil et ce qui est transporté par le vent solairevent solaire, et de fournir une compréhension plus profonde de notre connaissance du Soleil et de son héliosphèrehéliosphère interne.
Comme nous l'explique Anne Pacros, responsable mission et des instruments scientifiques à bord du satellite, « ces premières données sont issues de tests fonctionnels » ayant permis de vérifier l'état de fonctionnement de la charge utile du satellite et ses instruments. Au nombre de 10, ils se répartissent en deux groupes et, ensemble, ils procurent une vue holistique du Soleil et du vent solaire : quatre instruments mesurant les caractéristiques du plasma du vent solaire au niveau du satellite (les mesures in situ) et six autres chargés d'analyser la lumière émise par le Soleil (les mesures de télédétection).
Ces données, qui concernent des mesures de « variations du champ magnétique, de particules du vent solaire et d'images de la surface du Soleil dans différentes longueurs d'ondes », ont été acquises sur des durées très limitées par le planning de la phase dite de recette en vol, et pourtant les images du Soleil rendues publiques aujourd'hui « montrent des détails jamais vus auparavant » ! Par rapport aux images de la mission de référence, l'observatoire solaire SDO de la Nasa, les images de Solar Orbiter « sont d'une résolution d'au moins deux fois supérieure ». Notez que les images incroyables de la surface du Soleil acquises par le télescopetélescope solaire terrestre Daniel K. Inouye sont certes de meilleure résolution (évidemment avec un miroirmiroir de 4,2 mètres !) mais limitées au visible et à toutes les longueurs d'ondes qui peuvent traverser l'atmosphère terrestre. Solar Orbiter observe dans des longueurs d'ondes « visibles » seulement depuis l'espace.
Jamais le Soleil n’avait été photographié d’aussi près
Techniquement, ces images dépassent « les attentes des scientifiques et les exigences de la mission en termes de résolution et de clarté des images » alors que le satellite n'est pas encore à son orbiteorbite définitive ! Actuellement, Solar Orbiter se situe à 77 millions de kilomètres du Soleil, ou 0,5 Unité astronomiqueUnité astronomique. Au plus près, le satellite sera distant de seulement 42 millions de kilomètres du Soleil (0,28 Unité astronomique), soit moins d'un tiers de la distance Soleil-Terre.
Certes, la sonde se tiendra moins près du Soleil que Parker Solar Probe (Nasa), qui s'en approchera davantage à seulement 7 à 8 millions de kilomètres (à cette distance, la chaleur est si intense qu'aucune caméra ne peut regarder le Soleil en face), mais les deux sondes n'ont pas les mêmes stratégies. Solar Parker Probe effectuera les mesures in-situ de la partie la plus externe de la couronne solaire et un peu au-delà lorsque débute l'héliosphère, quant à Solar Orbiter, il réalisera des clichés dans le domaine UVUV de la couronne du Soleil avec la meilleure résolution spatiale jamais atteinte (70 km/pixelpixel).
Sans surprise, ces données « augurent d'un excellent retour scientifique quand on sera dans la phase de mission nominale qui doit débuter le 26 novembre 2021 ». Une analyse rapide de ces images permet de « voir des phénomènes certes déjà vus, mais avec une résolution inédite » ainsi que des « phénomènes jamais vus comme des éruptions miniatures » ! Connues des scientifiques, ces éruptions pourraient contribuer aux « températures élevées de la couronne solaire ». Si elles n'ont jamais pu être « observées en détail auparavant, c'est en raison d'absence d'instruments aux résolutions suffisantes ».
Explorer le vent solaire et mieux comprendre l'activité de notre étoile
Comme le souligne Anne Pacros, il ne fait « guère de doute que Solar Orbiter va aider les scientifiques à répondre à de nombreuses questions fondamentales sur le fonctionnement du Soleil ». Parmi les questions qui taraudent le plus les scientifiques, citons le chauffage de la couronne solaire, étonnamment plus chaude que la surface du Soleil, l'accélération du vent solaire, le déclenchement des éruptions solaires à l'origine des tempêtestempêtes électromagnétiques terrestres ainsi que le fonctionnement du cycle de onze ans qui rythme l'activité du Soleil.
Les réponses à toutes ces questions pourraient se trouver dans des « processus inconnus aujourd'hui mais que devrait découvrir Solar Orbiter ». La sonde, qui sera la première à survoler les pôles du Soleil, dont on ne connaît actuellement que les régions équatoriales, fournira « des images inédites, et d'une très grande clarté, des régions polaires du Soleil qui ne manqueront pas d'aider les scientifiques à mieux comprendre notre étoile ».
Interview exclusive : Solar Orbiter « ouvrira une fenêtre sur l'intérieur de la couronne solaire »
Article de Rémy Decourt publié le 03/07/2020
Après plusieurs décennies d'attente, la sonde Solar Orbiter va décoller pour une mission inédite à proximité du Soleil. Proposée en 2000 et sélectionnée en 2011, cette mission sera lancée lundi 09 février 2020. Elle embarque 10 instruments qui vont lui permettre de mieux comprendre le comportement du Soleil. Les explications de MilanMilan Maksimovic, directeur de recherches au CNRS, astrophysicienastrophysicien au LESIA (Observatoire de Paris) et responsable de l'instrument RPW à bord de Solar Orbiter.
Le lancement de Solar Orbiter est prévu dans le nuit du 9 au 10 février au soir depuis Cap CanaveralCap Canaveral. La sonde, construite par Airbus, décollera à destination du Soleil. Après deux ans de voyage, elle atteindra son orbite elliptique autour du Soleil pour une mission d'au moins 7 ans.
Le Soleil, qui est l'objet du Système solaireSystème solaire le plus observé depuis l'apparition de l'Homme, est si complexe que l'on est loin de tout comprendre de son fonctionnement, de son influence sur l'environnement terrestre et de son impact sur l'activité humaine en orbite. Malgré plusieurs missions dédiées, les scientifiques ne peuvent toujours pas prédire son comportement et ils ont pris conscience, nous explique Milan Maksimovic, que pour « améliorer la connaissance de la météorologiemétéorologie de l'espace et la prédiction des effets de la variabilité solaire et son activité », il était nécessaire de « regarder de plus près notre Soleil » et donc s'en approcher aussi près que la technologie le permet.
Après Solar Parker Probe, lancée en août 2018 pour étudier la couronne, atmosphère mal connue d'où s'échappe le vent solaire, l'Agence spatiale européenne (ESA) et la Nasa s'apprêtent à lancer Solar Orbiter qui doit faire le « lien entre ce qui se passe sur le soleil et ce qui est transporté par le vent solaire » et fournir une « compréhension plus profonde de notre connaissance du Soleil et de son héliosphère interne ».
Une fois lancée, la sonde Solar Orbiter suivra un chemin elliptique autour du Soleil, « s'en approchant jusqu'à 42 millions de km ». Elle s'approchera moins près du Soleil que Parker Solar ProbeParker Solar Probe, mais les deux sondes n'ont pas les mêmes stratégies. À Solar Parker Probe, les mesures in-situ de la partie la plus externe de la couronne solaire et un peu au-delà, lorsque débute l'héliosphère quand Solar Orbiter réalisera des « clichés dans le domaine UV de la couronne du Soleil avec la meilleure résolution spatiale jamais atteinte (70 km/pixel) ». À cela s'ajoute que Solar Orbiter réalisera également et en permanence « des mesures in situ dans le vent solaire et notamment, lors d'alignement entre le Soleil Parker Solar Probe et Solar Orbiter ». Pour les astronomes, cela revient à ouvrir une fenêtrefenêtre sur l'intérieur de la couronne du Soleil, source du vent solaire, qui baigne l'ensemble du Système solaire et dont l'interaction avec notre planète gouverne la météorologie de l'espace.
La sonde approchera au plus près du Soleil tous les cinq mois
Comme pour Solar Parker Probe, Solar Orbiter ne sera évidemment pas en permanence au plus près du Soleil. Le satellite réalisera un rapprochement du Soleil tous les cinq mois. Au périhéliepérihélie, Solar Orbiter se trouvera à seulement 42 millions de kilomètres de notre astreastre, soit plus proche que la planète MercureMercure. Au moment du rapprochement maximal, quand il voyagera le plus rapidement, Solar Orbiter restera pendant plusieurs jours grossièrement positionné au-dessus de la même région de l'atmosphère pendant que le Soleil tournera sur son axe. De la même façon que les satellites géostationnairessatellites géostationnaires météorologiques ou de télécommunication survolent le même point de la surface de la Terre, le satellite aura l'airair de « survoler » le Soleil pendant un moment. Solar Orbiter sera donc capable d'observer la création de tempêtes dans l'atmosphère solaire. Elle fournira ainsi des observations sans précédent de l'activité magnétique qui se concentre dans l'atmosphère et provoque des tempêtes et éruptions solaires.
Parmi les questions qui taraudent les scientifiques, cette histoire du chauffage de la couronne est une énigme contredisant l'intuition physiquephysique qui veut que, normalement, en s'éloignant de la surface d'un astre ou d'une planète, la température atmosphérique devrait décroître. Or, dans le cas du Soleil, elle augmente. Et pas qu'un peu ! En effet, alors que la surface du Soleil est d'environ 5.500 °C, elle atteint « 10.000 degrés dans la chromosphèrechromosphère et plus d'un million de degrés dans la couronne, voire 2 millions dans certaines régions ». Pour expliquer ce processus de chauffage coronal, on pense que « l'apport d'énergie nécessaire pourrait provenir notamment des fluctuations du champ magnétique et de la multitude de petites éruptions solaires invisibles depuis la Terre ». Mais on en reste aujourd'hui encore aux hypothèses car « les mesures du Soleil acquises depuis la Terre ou son orbite ne permettent pas de lever les ambiguïtés ».
Avec Solar Orbiter, les scientifiques sont convaincus que si « les données ne permettront pas d'expliquer ce mécanisme de chauffage, pour cela il faudrait s'approcher encore plus près du Soleil, elles devraient néanmoins éliminer certaines théories » et n'en conserver qu'un nombre restreint dont celle qui s'appuie sur « la présence d'ondes d'Alfvénondes d'Alfvén dans la couronne solaire, qui sont des mécanismes importants assurant le transport de l'énergie, pour expliquer ce chauffage de la couronne ». Cette question des ondes Alfvén suscite également l'intérêt des scientifiques de Solar Parker Probe qui prévoient de les observer au plus près, lorsque la sonde sera à seulement à 9 millions de km du Soleil. De son côté, Solar Orbiter, plus éloignée et disposant à la fois de capacités de diagnosticdiagnostic de la couronne par imagerie et de mesures du vent solaire in situ, pourra suivre la même de portion de vent solaire quittant la couronne et arrivant quelques dizaines d'heures plus tard à la position de la sonde.
Se rapprocher au plus près du Soleil permet d'observer le « vent solaire dans un état juvénile », ce qui devrait aider à comprendre pourquoi autant de matière s'échappe du Soleil (environ 70.000 tonnes de matière s'échappent du Soleil chaque seconde) et quels sont les mécanismes qui accélèrent le vent solaire. « Ce dernier apparaît sous deux formes : lente, de 300 à 400 km/s, et rapide, avec une vitesse de l'ordre de 600 à 800 km/s. »
Cette sonde devrait également nous aider à mieux comprendre le fonctionnement des éruptions solaires, c'est-à-dire « pourquoi elles ont lieu, les processus qui les déclenchent, ainsi que les phénomènes associés et les conséquences qu'elles engendrent », souligne Étienne Pariat, coordinateur du Pôle de physique solaire au LESIA et co-investigateur scientifique sur deux instruments (SPICE et STIX). Surtout, Solar Orbiter devrait être capable de voir le lieu de naissance de ces éruptions, ce qui va « nous permettre de faire le lien entre ce qui se passe à cet endroit sur le Soleil et l'impact qu'elles ont ensuite sur l'héliosphère et le milieu interplanétaire ». Quant aux éjections de masse coronale, « qui sont les structures qui peuvent impacter le plus l'environnement de la Terre », Solar Orbiter devrait aider à mieux « comprendre comment elles sont générées et comment elles se déplacent dans le Système Solaire ».
Les pôles du Soleil dévoilés
Après une première phase d'environ 4 ans d'observations depuis le plan de l'écliptiqueplan de l'écliptique, Solar Orbiter « utilisera la gravitégravité de VénusVénus et de la Terre pour sortir de ce plan et procéder à des observations à hautes latitudeslatitudes (jusqu'à environ 30°) du Soleil et du vent solaire », fournissant des images inédites des régions polaires du Soleil. On s'attend également à des données importantes sur l'environnement magnétique encore mal compris de ces zones qui jouent un rôle clé dans le cycle solaire de 11 ans et dans les vaguesvagues régulières de tempêtes solaires. Cette phase de la mission sera propice à « des mesures d'héliosismologiehéliosismologie locale et d'observations des trous coronaux polaires, sources du vent solaire rapide ».
Enfin, les connaissances accumulées par Solar Orbiter seront, à terme, utiles à d'autres disciplines comme l'exobiologieexobiologie. Une meilleure connaissance des vents solaires devraient aider à mieux comprendre comment les vents stellaires d'autres étoiles interagissent avec les planètes tournant autour d'elles et influencent ces dernières, allant jusqu'à potentiellement modifier durablement leurs atmosphères et l'émergenceémergence possible de la vie sur ces planètes.
Solar Orbiter embarque 10 instruments répartis en deux catégories. Des instruments dits de télédétection et qui fournissent des spectresspectres et des images de la photosphèrephotosphère et de la couronne, ainsi que des instruments héliosphériques de mesures in situ du plasma. On notera que l'instrument RPW est unique parmi les instruments de Solar Orbiter car il fait à la fois des mesures in situ et de télédétection. RPW mesurera les champs magnétique et électrique à haute résolution temporelle en utilisant un ensemble de senseurssenseurs-antennes pour déterminer les caractéristiques des ondes électromagnétiquesondes électromagnétiques et électrostatiquesélectrostatiques dans le vent solaire.
Principales questions auxquelles la mission se propose de répondre :
- Comment le champ magnétique émerge-t-il de l'intérieur et quel est son impact sur l'atmosphère solaire ?
- Quels sont les mécanismes impliqués dans la formation de la couronne et du vent solaire ?
- Quels sont les processus physiques expliquant l'activité éruptiveéruptive du Soleil ?
- Comment la température de la couronne peut-elle atteindre plus d'un million de kelvinskelvins alors que la surface visible du Soleil n'atteint pas 6.000 kelvins ?
- Comment le plasma du vent solaire est-il accéléré jusqu'à des vitesses supersoniques de près de 1.000 kilomètres par seconde ?
