Ce risque de tempêtes solaires massives contre lequel nous sommes mal préparés

Cet article a été publié initialement sur le site de la revue Knowable Magazine from Annual Reviews et traduit avec leur aimable autorisation.

Le 1er mai 2019, l'étoile d'à côté est entrée en éruption.

En quelques secondes, Proxima Centauri, l'étoile la plus proche de notre soleil, est devenue des milliers de fois plus brillante que d'habitude - jusqu'à 14 000 fois plus brillante dans la gamme ultraviolette du spectre. L'explosion de radiations était suffisamment forte pour briser les molécules d'eau qui pourraient exister sur la planète tempérée de la taille de la Terre en orbite autour de cette étoile ; des explosions répétées de cette ampleur auraient pu priver la planète de toute atmosphère.

Ce serait une mauvaise nouvelle si le soleil de la Terre se mettait un jour autant en colère.

Mais le soleil a bel et bien ses moments de colère - le plus célèbre étant celui du 2 septembre 1859, à l'aube. À ce moment-là, une aurore brillante a illuminé la planète, apparaissant aussi loin au sud que La Havane. Des habitants du Missouri pouvaient lire à sa lumière, tandis que des mineurs dormant dehors dans les montagnes Rocheuses se réveillaient et, pensant que c'était l'aube, commençaient à préparer leur petit-déjeuner. "L'ensemble de l'hémisphère nord était aussi lumineux que si le soleil s'était couché une heure auparavant", rapportait le Times de Londres quelques jours plus tard.

Pendant ce temps, les réseaux télégraphiques se sont détraqués. Des étincelles jaillissent des appareils - dont certains prennent feu - et les opérateurs de Boston et de Portland, dans le Maine, débranchent les câbles télégraphiques des batteries, mais continuent à transmettre, alimentés par l'énergie électrique qui traverse la Terre.

Les événements de ce vendredi-là ont évoqué des descriptions bibliques. "Les mains des anges ont déplacé le glorieux paysage des cieux", a rapporté le Cincinnati Daily Commercial. La cause réelle était un peu plus prosaïque : les cieux avaient été embrasés par une énorme masse de gaz chargé d'électricité, projetée par le soleil à la suite d'un éclair de lumière connu sous le nom d'éruption solaire.

La météorologie spatiale englobe les conditions qui prévalent dans le système solaire et qui sont causées par le vent solaire et le champ magnétique très étendu du soleil. Les changements soudains dans le soleil, tels que les éruptions et les éruptions de matière, sont comme des fronts météorologiques, apportant avec eux des "tempêtes" magnétiques qui peuvent être ressenties sur les planètes. Sur Terre, ces phénomènes peuvent provoquer des aurores boréales époustouflantes, mais ils peuvent aussi causer des dégâts dans les appareils électroniques. L'éclair lumineux d'une éruption met environ 8 minutes à atteindre la Terre ; les matières solaires expulsées du soleil dans une éjection de masse coronale (EMC) peuvent mettre des heures, voire des jours, à parcourir cette distance. Les tempêtes magnétiques peuvent être brèves ou durer plusieurs jours.

Un tel blob - un enchevêtrement de plasma et de champs magnétiques - est connu sous le nom d'éjection de masse coronale. Lorsqu'elle atteint la Terre, une telle éjection peut déclencher la plus féroce des tempêtes géomagnétiques. La tempête de 1859, baptisée "événement de Carrington" en l'honneur du scientifique qui a été témoin de l'éruption qui l'a précédée, a longtemps été considérée comme la plus puissante que le soleil ait jamais provoquée.

Mais ces dernières années, des recherches ont montré que l'événement de Carrington n'était qu'un avant-goût de ce que le soleil est capable de nous envoyer. Les anneaux de croissance des arbres et les carottes de glace contiennent des échos de tempêtes solaires beaucoup plus fortes dans un passé lointain. Et d'autres étoiles, comme Proxima du Centaure, montrent que même les explosions solaires documentées les plus intenses ne sont rien en comparaison de ce qui est possible.

Néanmoins, l'événement de Carrington offre des indices importants sur ce que le soleil pourrait réserver à la Terre dans le futur, écrit le physicien solaire Hugh Hudson dans la Annual Review of Astronomy and Astrophysics de 2021. "Le danger guette les actifs technologiques de l'humanité, en particulier ceux de l'espace", écrit Hudson, de l'université de Glasgow. À la suite d'un événement de type Carrington, des réseaux électriques entiers pourraient s'arrêter et des satellites GPS pourraient être mis hors service.

Comprendre la gravité des tempêtes solaires permet de mieux comprendre ce que l'univers peut nous réserver - et peut-être de savoir comment prévoir la prochaine, afin d'être mieux préparés lorsqu'elle se produira.

Anatomie d'une éruption

Environ 18 heures avant que l'événement de 1859 n'illumine le ciel de la Terre, un astronome anglais a remarqué quelque chose d'étrange à la surface du soleil.

Alors qu'il travaillait dans son observatoire, Richard Carrington a vu deux points lumineux brillants émerger d'un groupe de taches solaires sombres et disparaître en cinq minutes. Un autre astronome anglais, Richard Hodgson, a vu la même chose, notant que c'était comme si l'étoile brillante Véga était apparue sur le soleil. Au même moment, les aiguilles de la boussole de l'observatoire Kew en Angleterre se sont mises à osciller, laissant présager la tempête magnétique qui allait s'ensuivre.

Avant cela, personne ne connaissait les éruptions solaires, principalement parce que personne ne suivait les taches solaires par temps clair comme le faisait Carrington. Des décennies s'écouleront avant que les astronomes et les physiciens ne parviennent à élucider la physique des éruptions solaires et leur impact sur la Terre.

Une éruption solaire est un flash soudain de lumière - généralement près d'une tache solaire - qui peut libérer autant d'énergie qu'environ 10 milliards de bombes nucléaires d'une mégatonne. Le déclencheur est une libération soudaine et localisée d'énergie magnétique refoulée qui émet des radiations dans tout le spectre électromagnétique, des ondes radio aux rayons gamma.

De nombreuses éruptions solaires, mais pas toutes, sont accompagnées d'une éjection de masse coronale, un gros morceau de gaz chaud du soleil projeté dans l'espace en même temps qu'un enchevêtrement de champs magnétiques. Des milliards de tonnes de gaz solaire peuvent être projetées dans le système solaire, franchissant les 150 millions de kilomètres qui séparent la Terre de son orbite en 14 heures ou quelques jours. 

La plupart des éruptions solaires manquent notre planète de très loin. Mais de temps en temps, l'une d'entre elles se dirige directement vers la Terre. Et c'est là que les choses peuvent devenir intéressantes.

Environ huit minutes après une éruption solaire, sa lumière atteint la Terre dans un flash de lumière visible. C'est également à ce moment-là qu'un pic de lumière ultraviolette et de rayons X pulvérise la haute atmosphère, provoquant une légère perturbation magnétique à la surface. C'est ce pic que les instruments magnétiques du Kew ont détecté en 1859.

L'éjection de masse coronale peut déclencher un orage géomagnétique lorsqu'elle rencontre le champ magnétique qui enveloppe la Terre. La perturbation du champ magnétique induit la circulation de courants électriques dans les conducteurs, y compris les fils et même la planète elle-même. Dans le même temps, les particules chargées à grande vitesse crachées par le soleil s'écrasent sur les atomes de la haute atmosphère, allumant des aurores boréales.

Le 6 septembre 2017, le soleil a émis une puissante éruption solaire de classe X - une désignation réservée aux éruptions les plus intenses. Observée ici en lumière ultraviolette par le Solar Dynamics Observatory de la NASA, l'éruption était l'une des plus fortes observées depuis des années et s'est produite au milieu d'une vague d'éruptions solaires ce mois-là. Les fils incandescents sont des filaments de plasma brûlants pris au piège par les champs magnétiques qui s'étendent sur la surface du soleil.

CRÉDIT : NASA / GSFC / SDO

L'éruption de 1859 a longtemps été, et reste, exceptionnelle par son énergie et ses effets sur la Terre. Des éruptions solaires de puissance comparable sont souvent appelées "événements de Carrington". Mais elle n'est pas unique.

"On la décrit souvent comme la tempête la plus intense jamais enregistrée", explique Jeffrey Love, géophysicien à l'US Geological Survey de Denver. "Ce n'est peut-être pas tout à fait vrai, mais c'est certainement l'une des deux tempêtes les plus intenses". Ou des trois ou quatre.

En mai 1921, le soleil a infligé à notre planète une tempête géomagnétique comparable à celle de Carrington. Comme en 1859, une aurore brillante est apparue bien au-delà des régions polaires. Les systèmes télégraphiques et téléphoniques sont tombés en panne, et certains ont déclenché des incendies destructeurs.

Et 13 ans à peine après que Carrington eut observé l'éruption éponyme, une autre tempête solaire est survenue qui, selon certains critères, pourrait l'avoir surpassée. Selon Ed Cliver, physicien solaire retraité de l'armée de l'air américaine, "il semble maintenant, sur la base des aurores et des mesures magnétométriques éparses, qu'un événement survenu en 1872 était probablement plus important que l'événement de Carrington".

Ces tempêtes montrent que l'événement de Carrington n'était pas un "cygne noir", dit Hudson. Le soleil s'est plutôt retenu dans l'ère moderne. Les preuves d'un passé plus lointain font état de quelques tempêtes solaires qui font paraître l'événement de Carrington presque insignifiant en comparaison.

Des éruptions oubliées
Les arbres ont la mémoire longue. Chaque année de leur croissance, les arbres inscrivent dans des cercles annuels concentriques des informations sur les conditions environnementales de l'époque. À partir de ces anneaux, les chercheurs peuvent reconstituer des scènes du passé de la Terre.

Certains cèdres du Japon se souviennent d'un tsunami de particules atomiques projetées par le soleil vers l'an 775. Ces arbres ont enregistré une augmentation significative du carbone 14, une variante radioactive du carbone que les arbres absorbent dans l'atmosphère. Le carbone 14 est issu de la rencontre entre l'azote atmosphérique et les rayons cosmiques, des particules à grande vitesse provenant de l'espace qui frappent quotidiennement notre planète. Certaines éruptions solaires inondent la Terre d'un excès de rayons cosmiques, ce qui accélère la production de carbone 14. La variation des niveaux de carbone 14 enregistrée en 775 était environ 20 fois plus importante que les flux et reflux normaux du soleil, ont rapporté les chercheurs en 2012.

"La suggestion claire était que des super événements pouvaient se produire, parce que c'était un facteur de 10 - si c'était une éruption solaire - un facteur de 10 ou 20 ou plus plus grand que l'événement de Carrington", dit Hudson.

Une augmentation du carbone 14 dans les anneaux des arbres a mis en évidence les signes d'un autre événement solaire important en 994. Des carottes de glace provenant de l'Antarctique ont révélé une augmentation correspondante, en 994 et en 775, du béryllium 10, un autre produit des rayons cosmiques, ce qui renforce la fiabilité des résultats obtenus avec les cernes des arbres.

En remontant plus loin dans le temps, une étude des carottes de glace suggère un troisième événement similaire vers 660 avant notre ère. Et en août (dans un article encore en cours d'examen par les pairs), les chercheurs ont signalé deux autres pics de carbone 14 dans les anneaux de croissance des arbres, vers 7176 et 5259 avant J.-C., probablement au même niveau que l'événement de 775.

Il est difficile de comparer directement ces tempêtes passées avec l'événement de Carrington, déclare Ilya Usoskin, astrophysicien à l'université d'Oulu en Finlande et coauteur de l'étude d'août. L'éruption de 1859 n'a pas produit de pluie de particules sur la Terre, et il n'y a donc pas de décompte de carbone 14 à comparer. Mais l'événement de 775 semble être l'une des plus fortes tempêtes de particules solaires enregistrées au cours des 12 000 dernières années, selon Usoskin.

Il y a un écueil, note Hudson. Les cernes de croissance des arbres sont établis chaque année, de sorte que quelques petites éruptions en l'espace de plusieurs mois peuvent apparaître comme un seul grand événement dans les cernes.

Mais même dans ce cas, chacune de ces petites éruptions peut avoir été impressionnante. "Chacun de ces événements serait au moins de l'ordre de trois fois plus important que l'événement de Carrington en termes d'énergie", explique Cliver.

Cela reste toutefois modeste par rapport à certaines autres étoiles de notre galaxie.

Super éruptions

Si la vie existe sur la planète en orbite autour de Proxima du Centaure, elle a probablement du mal à se développer.

"On peut vraiment envisager que quelque chose comme un événement de Carrington se produise quotidiennement", déclare Meredith MacGregor, astrophysicienne à l'université du Colorado à Boulder. Même les "super éruptions" les plus fortes, comme celle qu'elle et ses collègues ont repérée en 2019, pourraient se produire à peu près tous les deux jours. Son équipe a repéré cette éruption, peut-être 100 fois plus puissante que l'événement de Carrington, après avoir observé l'étoile voisine pendant 40 heures seulement.

Avec un barrage quasi-constant d'éruptions, toute atmosphère s'accrochant à la planète rocheuse blottie contre l'étoile n'aurait jamais le temps de récupérer. "Oui, un événement de Carrington [sur la Terre] grillerait certains appareils électroniques et détruirait les signaux GPS", déclare MacGregor, "mais il ne détruirait pas l'habitabilité de notre planète".

Pour être clair, Proxima Centauri n'est pas comme le soleil. C'est une naine M, une petite étoile qui brille en rouge. Et ces petites étoiles sont célèbres pour leurs éruptions surdimensionnées. Mais certaines étoiles semblables au soleil peuvent également émettre de super éruptions.

Cette constatation a été faite par des télescopes spatiaux conçus pour rechercher des planètes autour d'autres étoiles. Le télescope Kepler de la NASA, aujourd'hui disparu, y parvenait en recherchant de subtils creux dans la lumière des étoiles lorsque des planètes passaient devant leur soleil.

En l'espace de quatre ans, Kepler a enregistré 26 super-éruptions - jusqu'à environ 100 fois plus puissantes que l'événement de Carrington - sur 15 étoiles semblables au soleil, ont rapporté les chercheurs en janvier. La mission TESS de la NASA, un autre télescope spatial à la recherche d'exoplanètes, a trouvé une fréquence similaire de super-éruptions sur des étoiles semblables au soleil au cours de sa première année de fonctionnement.

Les données de Kepler indiquent que les étoiles semblables au Soleil connaissent la plus puissante de ces éruptions environ une fois tous les 6 000 ans. L'éruption la plus puissante de notre soleil au cours de cette période est un ordre de grandeur plus faible, mais une super éruption pourrait-elle se produire dans notre avenir ?

"Je ne pense pas qu'une théorie ait une capacité de prédiction suffisante pour signifier quoi que ce soit", déclare M. Hudson. "La théorie principale dit essentiellement que plus la tache solaire est grande, plus l'éruption est importante". Les taches solaires marquent l'endroit où le champ magnétique du soleil traverse sa surface, empêchant les gaz chauds de remonter par le bas. La tache semble sombre car elle est plus froide que tout ce qui l'entoure.

Et c'est là une différence entre le soleil et ses voisins en éruption. Les super éruptions semblent se produire sur des étoiles dont les taches sombres et froides sont beaucoup plus grandes que celles qui apparaissent sur le soleil. "Si l'on se base sur les zones de taches connues, il y aurait donc une limite", dit Hudson.

Les subtilités des machinations magnétiques d'une étoile - taches, éruptions, etc. - sont encore mal comprises, de sorte que la mise en relation de toutes ces observations en une histoire cohérente prendra du temps. Mais la quête de la compréhension de tout cela pourrait améliorer les prédictions sur ce que l'on peut attendre du soleil à l'avenir.

Les éruptions suffisamment puissantes pour perturber notre réseau électrique se produisent probablement, en moyenne, quelques fois par siècle, selon M. Love. "Regarder 1859 permet en quelque sorte de mettre cela en perspective, car ce qui s'est passé à l'ère de l'espace, depuis 1957, a été plus modeste." Le soleil n'a pas dirigé vers nous une éruption de type Carrington depuis un bon moment. Une répétition de 1859 au 21e siècle pourrait être désastreuse.

L'humanité est bien plus dépendante de la technologie qu'elle ne l'était en 1859. Un événement de type Carrington pourrait aujourd'hui causer des ravages sur les réseaux électriques, les satellites et les communications sans fil. En 1972, une éruption solaire a fait sauter des lignes téléphoniques longue distance dans l'Illinois, par exemple. En 1989, une éruption a plongé dans le noir la majeure partie de la province de Québec, coupant l'électricité à environ 6 millions de personnes pendant neuf heures. En 2005, une tempête solaire a perturbé les satellites GPS pendant 10 minutes.

La meilleure prévention est la prédiction. En sachant qu'une éjection de masse coronale est sur le point de se produire, les opérateurs pourraient avoir le temps de reconfigurer ou d'arrêter les équipements en toute sécurité pour éviter qu'ils ne soient détruits.

Il serait également utile de prévoir une résilience supplémentaire. Pour le réseau électrique, cela pourrait inclure l'ajout de redondances ou de dispositifs permettant d'évacuer l'excès de charge. Les agences fédérales pourraient disposer d'un stock de transformateurs électriques mobiles, prêts à être déployés dans les zones où les transformateurs existants - qui ont déjà fondu lors de précédentes tempêtes solaires - ont été mis hors service. Dans l'espace, les satellites pourraient être mis en mode de sécurité en attendant la tempête.

L'événement de Carrington n'était pas un cas isolé. C'était juste un échantillon de ce que le soleil peut faire. Si les recherches sur les éruptions solaires passées nous ont appris quelque chose, c'est que l'humanité ne devrait pas se demander si une tempête solaire similaire pourrait se reproduire. Tout ce que nous pouvons nous demander, c'est quand.

Traduit et publié avec l'aimable autorisation de Knowable Magazine. L'article original est à retrouver ICI.