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De nouvelles missions spatiales doivent permettre doivent permettre de résoudre une énigme astronomique de longue date concernant le soleil.
De nouvelles missions spatiales doivent permettre doivent permettre de résoudre une énigme astronomique de longue date concernant le soleil.
©TOBIAS SCHWARZ / AFP

Astronomie

Plus chaud que le soleil : la mystérieuse couronne solaire

Plusieurs nouvelles missions visent directement une énigme astronomique de longue date, avec la promesse d'améliorer les prévisions météorologiques spatiales.

Christopher Crockett

Christopher Crockett

Christopher Crockett est un chercheur pour Knowable et un rédacteur scientifique indépendant vivant à Arlington, en Virginie. 

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

Dans les derniers instants avant une éclipse solaire totale, la température baisse, les oiseaux et les insectes chantent, et la lumière ambiante devient d'un autre monde. Le jour se transforme en un crépuscule à 360 degrés, et là où le soleil était suspendu, un trou noir perce le ciel, enveloppé d'une lueur blanche et éthérée.

Cette lueur est la couronne solaire, l'atmosphère supérieure ténue de gaz ionisé du soleil. Composée principalement d'électrons et de noyaux nus d'atomes d'hydrogène et d'hélium, elle est la rampe de lancement du vent solaire, le flux de particules chargées qui s'échappent de la couronne et balaient les planètes, pour finalement s'arrêter au seuil de l'espace interstellaire. Les événements qui se produisent dans la couronne solaire affectent tous les mondes du soleil, y compris la Terre et la société technologique que les humains ont bâtie sur elle.

Et pourtant, malgré environ 80 ans d'études, une grande partie de la couronne reste un mystère. Le vent solaire ne ralentit pas lorsqu'il quitte le soleil, il accélère. Certaines particules sortent de la couronne avec une telle énergie qu'elles approchent la vitesse de la lumière. Et ce qui est peut-être le plus déconcertant, c'est que la couronne est des centaines de fois plus chaude que la surface du soleil.

Comprendre comment cet excès d'énergie se retrouve dans la couronne n'est pas seulement un exercice académique. Cette énergie affecte souvent la Terre, avec des résultats parfois désastreux. Les plus grandes éruptions de la couronne solaire peuvent causer des ravages sur les réseaux électriques, les communications sans fil et les satellites.

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"Nous sommes très liés à ces problèmes, même si ce n'est pas nécessairement quelque chose qui va changer votre vie aujourd'hui", explique Amy Winebarger, astrophysicienne au Marshall Space Flight Center de la NASA à Huntsville, en Alabama. "Au fur et à mesure que notre culture s'oriente vers l'espace, la compréhension du soleil et de ses interactions avec la Terre est encore plus importante."

Si les éruptions qui perturbent la société sont un exemple extrême, les chercheurs espèrent que s'ils parviennent à mieux comprendre comment l'énergie pénètre dans la couronne, nous pourrons peut-être prédire les éruptions dangereuses avec suffisamment d'avance pour protéger les équipements vitaux.

M. Winebarger, ainsi que Steven Cranmer de l'université du Colorado, ont résumé ce que nous savons actuellement de la couronne dans la revue annuelle 2019 d'astronomie et d'astrophysique.

L'étude de la couronne n'est pas facile. Elle émet la plupart de sa lumière dans des longueurs d'onde ultraviolettes et de rayons X à haute énergie, qui sont bloquées par l'atmosphère terrestre. Le peu de lumière solaire visible que la couronne reflète est largement éclipsé par la surface du soleil. Pour voir la couronne, il faut une éclipse ou un télescope équipé d'un disque de blocage du soleil.

En fait, c'est grâce aux éclipses que les gens savent depuis l'Antiquité qu'une lueur blanche entoure le soleil. Mais il a fallu attendre que les chercheurs appliquent les leçons de la mécanique quantique, à la fin des années 1930, pour interpréter correctement la lumière visible vue du sol. Un autre coup de pouce a été donné par l'invention de puissantes fusées au début des années 1940, capables de projeter des caméras au-dessus de l'atmosphère terrestre.

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Même ces premières observations laissaient entrevoir quelque chose de très étrange à propos de la couronne. La température dans la couronne est d'environ un million de degrés Celsius. Mais la température à la surface du soleil - la source de cette énergie - est relativement douce, à 5 500 degrés.

"C'est tout simplement étrange", déclare Mme Winebarger. Elle compare cela au fait de s'éloigner d'un feu de camp et de se sentir de plus en plus froid jusqu'à ce qu'il fasse soudainement très chaud. "Il faudrait avoir quelque chose, un tube spécial peut-être, qui transporterait l'énergie de votre feu".

Les boucles coronales, visibles sur cette image ultraviolette du satellite TRACE de la NASA, se forment lorsque le plasma de la couronne solaire se rassemble autour d'arcs de lignes de champ magnétique partant de la surface du soleil. L'amas de boucles représenté ici est brûlant et gigantesque, mesurant 30 fois ou plus le diamètre de la Terre.

CRÉDIT : M. ASCHWANDEN ET AL (LMSAL) / TRACE / NASA

Ce tube, soupçonnent les chercheurs, est le champ magnétique du soleil. Mais les physiciens ne parviennent pas à s'accorder sur la manière exacte dont cela pourrait fonctionner. Une théorie attribue la responsabilité aux nano-éclairs, une fusée de petites explosions déclenchées par des lignes de champ magnétique nouées qui se démêlent de manière explosive. Une autre idée est que les ondes qui se propagent le long des lignes de champ magnétique transportent l'énergie de la surface du soleil vers la couronne.

Ces deux idées sont extrêmement difficiles à vérifier. Les simulations et les calculs informatiques suggèrent que les mécanismes qui conduisent l'énergie dans la couronne le font probablement à des échelles trop petites et trop rapides pour être observées de loin. La vérité sur le terrain devra probablement provenir d'un engin spatial placé tout près du soleil. C'est là qu'intervient la sonde Parker Solar Probe de la NASA.

Parker a été lancé en 2018 pour une mission de sept ans visant à plonger à plusieurs reprises dans la couronne solaire. À chaque orbite, un coup de pouce gravitationnel de Vénus rapproche la sonde du soleil. La sonde finira par s'installer sur une orbite à un peu plus de 6 millions de kilomètres de la surface du soleil, soit sept fois plus près qu'aucun autre engin spatial auparavant.

À cette distance, le côté de la sonde faisant face au soleil sera grillé à plus de 1 300 degrés Celsius, sa suite d'instruments étant protégée par un bouclier en composite de carbone de 11 centimètres d'épaisseur. (Bien que la couronne ait une température très élevée, ses particules sont relativement rares - cette faible densité empêche le vaisseau de devenir aussi chaud que la couronne elle-même. Voir pourquoi ici). 

Depuis son point d'observation unique au cœur de la couronne, Parker prend déjà des photos, mesure les champs électromagnétiques et compte les particules.

Avec les données des deux premières orbites en main - au cours desquelles Parker a volé à seulement 24 millions de kilomètres du soleil - l'équipe scientifique se prépare à publier les premiers résultats dans une poignée d'articles cet automne. Plusieurs dizaines d'autres suivront en janvier. Si l'équipe reste très discrète sur ce que la sonde a vu, son enthousiasme est palpable.

"Nous voyons des phénomènes que nous n'aurions jamais imaginé voir", déclare Nour Raouafi, scientifique du projet.

La couronne solaire est piégée par les lignes de champ magnétique, qui sont probablement responsables du réchauffement de la couronne à des millions de degrés. Loin du soleil, une partie de la couronne s'échappe pour devenir le vent solaire, un flux constant de particules chargées qui balaie toutes les planètes.

CRÉDIT : CENTRE DE VOL SPATIAL GODDARD DE LA NASA / LISA POJE

Nicola Fox, ancien scientifique du projet et actuel chef de la division héliophysique de la NASA, partage cet avis : "Rien qu'au cours de nos deux premières orbites, nous avons recueilli des données inattendues, qui présentaient des caractéristiques susceptibles de nous aider à reconstituer le puzzle du réchauffement coronal."

Dans les mois à venir, Parker sera rejoint par deux autres projets de recherche sur le soleil. Plus tard cette année, un nouveau télescope solaire ouvrira ses portes à Maui. Le Daniel K. Inouye Solar Telescope produira des images suffisamment nettes pour distinguer des détails à la surface du soleil d'une trentaine de kilomètres de diamètre - suffisamment petits pour révéler les éléments constitutifs du champ magnétique, explique M. Raouafi.

Puis, en février, l'Agence spatiale européenne lancera Solar Orbiter, une mission qui s'élèvera hors du plan du système solaire pour observer le soleil de haut en bas. À l'exception de la défunte sonde Ulysse, qui n'avait pas de caméra à bord, aucun engin spatial n'a étudié le soleil sous cet angle. Depuis les hauteurs du système solaire, Solar Orbiter pourrait aider les chercheurs à reconstituer la structure tridimensionnelle des caractéristiques de la couronne et du vent solaire.

Grâce à la collaboration de ces trois missions, les chercheurs espèrent percer certains des mystères coronaux qui pourraient enrichir notre compréhension de l'interaction Terre-Soleil.

En tant que seule étoile de l'univers que nous pouvons voir de près, le soleil peut apprendre aux scientifiques comment des étoiles plus lointaines peuvent interagir avec des mondes proches. Les scientifiques pensent que les vents solaires ont dépouillé Mars de son atmosphère protectrice, et d'autres étoiles pourraient agir de la même manière. "C'est comme avoir un laboratoire dans son jardin", dit Fox.

"C'est vraiment le moment le plus excitant pour être un physicien solaire", dit Raouafi. "Je pense que la prochaine décennie sera révolutionnaire en termes de compréhension du fonctionnement du soleil et de [son] atmosphère".

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

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