Nouvelles images époustouflantes du Soleil
De nouvelles images d'une résolution sans précédent associées au travail des sondes en orbite autour du Soleil pourraient nous aider à comprendre le fonctionnement des étoiles et à prédire les activités solaires potentiellement dangereuses pour la Terre.
Séquence d'images UV capturées par la sonde Solar Orbiter tandis qu'elle s'approchait du Soleil en 2022. Ces images représentent les gaz de l'atmosphère du Soleil, qui atteignent une température d'environ 1 million de degrés Celsius.
Le Soleil est le cœur de notre système planétaire et, bien que son apparence reste la même chaque jour dans le ciel, il est en réalité en constante évolution. En effet, notre étoile, qui est une sphère dynamique de plasma chaud et explosif, s’approche actuellement du maximum solaire, un pic d’activité qui se produit tous les onze ans environ.
Grâce au nouveau télescope solaire Daniel K. Inouye situé à Hawaï, qui nous dévoile des images de la surface du Soleil avec une résolution sans précédent, les scientifiques peuvent désormais observer les structures bouillonnantes qui composent l’étoile. Et ce n’est pas tout : deux engins spatiaux sont en orbite autour du Soleil, à une distance plus proche que jamais auparavant. Les détails auxquels les scientifiques ont ainsi accès pourront peut-être nous aider à comprendre le fonctionnement des étoiles, mais aussi nous donner les outils nécessaires pour comprendre, et peut-être même prévoir, les éruptions et autres activités solaires qui pourraient un jour représenter une menace pour la Terre.
Le Soleil se couvre de cloques et de bulles sur cette image de sa surface capturée par le télescope solaire Daniel K. Inouye, située à Hawaï. Les taches sombres sont des zones transitoires de matériaux plus froids, produites par des champs magnétiques intenses qui peuvent également déclencher des éruptions et des éjections solaires. Les cellules de convection forment quant à elles le motif rappelant des écailles de poissons.
« Grâce aux données que nous avons déjà obtenues, nous avons pu poser un grand nombre de nouvelles questions et avons découvert des phénomènes dont nous ne soupçonnions même pas l’existence », confie l’astrophysicien Nour Raouafi de l’Université Johns Hopkins à Laurel, dans le Maryland, responsable scientifique du projet Parker Solar Probe de la NASA, l’un des engins spatiaux qui circulent actuellement en orbite autour du Soleil.
Le télescope solaire Inouye d’Hawaï, dont les observations scientifiques ont débuté en 2022, est capable de capturer des images de très petites caractéristiques du Soleil, parfois aussi petites que 20 kilomètres. Certains des visuels transmis par le télescope montrent des cellules de convection, connues sous le nom de granules, dans lesquelles le plasma chaud remonte à la surface tandis que la matière plus froide descend, ce qui constitue l’un des mouvements qui contribuent à générer un réseau complexe de champs magnétiques.
Ces champs magnétiques peuvent provoquer d’immenses éruptions, parfois aussi grandes que Jupiter, ainsi que des explosions encore plus importantes connues sous le nom d’éjections de masse coronale (EMC). Les éjections les plus importantes envoient des particules chargées à une vitesse proche de celle de la lumière. Si elles atteignent la Terre, ces particules peuvent affecter son champ magnétique et former des aurores boréales stupéfiantes. Néanmoins, ces mêmes particules peuvent aussi interférer avec des satellites, interrompre des réseaux électriques, et même blesser des astronautes dans l’espace.
Avec le Solar Orbiter de l’Agence spatiale européenne (ESA), un autre engin spatial en orbite proche autour du Soleil, le Parker Solar Probe commence à fournir des indices pour expliquer le processus complexe à l’origine du magnétisme solaire, et a ainsi permis de comprendre que les petites éruptions et explosions sont essentielles au bon fonctionnement de l’activité solaire. En se basant sur des modèles, des scientifiques ont découvert que, en l'espace de seulement quelques secondes, certains de ces champs magnétiques peuvent se tordre, s’étendre sur quelques dizaines de mètres, puis se briser : des événements qui, bien que minuscules, peuvent tout de même projeter d’énormes quantités de plasma dans l’espace.
Ces nouvelles images du Soleil permettent non seulement aux scientifiques de prévoir comment protéger nos astronautes et nos équipements électroniques des éruptions solaires dangereuses, mais aussi de mettre au jour les mystérieux processus physiques qui alimentent les nombreuses étoiles qui composent l’Univers.
DANS NOTRE ÉTOILE
Le Soleil est la seule étoile que les scientifiques peuvent étudier en détail et voir évoluer en temps réel. Comme les autres, notre étoile est une gigantesque boule de plasma chaud, assez chaud pour arracher leurs électrons aux atomes de gaz. Des couches d’électrons chargés négativement et de particules chargées positivement, des ions, s’écoulent, comme un liquide, vers l’intérieur du Soleil. Ce sont ces flux de plasma chargé qui génèrent les lignes de ses champs magnétiques.
La résolution de cette image compte parmi les meilleures jamais prises du pôle sud du Soleil. Ce cliché a été capturé par l'Extreme-Ultraviolet Imager de la sonde Solar Orbiter, quatre jours seulement après que cette dernière est passée par son point le plus proche du Soleil, en 2022.
Du plasma en ébullition est en mouvement dans le Soleil, tourne à différentes vitesses au fil de la rotation de l’étoile. Près de la surface, la matière monte et redescend également, comme un liquide qui bout dans une casserole. À la surface, cette convection se produit dans des structures connues sous le nom de granules et crée un motif qui, comme le montrent les images du télescope solaire Inouye, n’est pas sans rappeler des écailles de poisson.
Les lignes de champ magnétique transpercent la surface et ressortent sous forme de boucles, en constant mouvement. Parfois, ces lignes se croisent, se tordent davantage et, comme un élastique, se cassent, provoquant une explosion chaude et rapide de plasma et de rayons. « On assiste alors à une libération soudaine de plasma sous l’effet de ce que l’on appelle la reconnexion magnétique », explique Yeimy Rivera, astrophysicien solaire au Smithsonian Center for Astrophysics de Harvard. « Ce phénomène est très explosif. » À l’échelle du Soleil, ces explosions peuvent être minuscules (à notre échelle, un peu plus grandes que la Sicile), tandis que d’autres sont d’énormes éjections de masse, qui peuvent parfois être plus grandes qu’une planète entière.
Cette mosaïque d'images du pôle sud du Soleil, prises par la sonde Solar Orbiter, montre une multitude de minuscules jets de matière. Ces événements pourraient constituer le mécanisme longtemps recherché à l'origine du vent solaire, le flux constant de particules chargées émises par le Soleil et qui traversent le système solaire. Les images sont négatives : autrement dit, bien qu'ils apparaissent comme des traces sombres sur ces clichés, devant la surface du Soleil, les jets constituent en réalité des éclairs lumineux.
Au-dessus de cette surface agitée se trouve l’atmosphère du Soleil, la couronne, où flottent des gaz chauds diffus. Cette zone est plus chaude encore que la matière présente à la surface, qui avoisine déjà les 5 500 °C, ce qui peut sembler étonnant, la température ayant généralement tendance à baisser à mesure que l’on s’éloigne d’un objet chaud. « Ce n’est pas le cas dans la couronne », révèle Raouafi. Au contraire, là-bas, la température peut monter jusqu’à plusieurs millions de degrés, et les scientifiques ne savent expliquer ni comment, ni pourquoi ce phénomène se produit.
La couronne se jette dans le vent solaire, qui s’éloigne de l’étoile à une vitesse de plus de 1,5 million de kilomètres par heure pour rejoindre les confins du système solaire. Les scientifiques commencent à peine à comprendre les facteurs à l’origine d’une telle vitesse.
VERS UNE AVANCÉE MAJEURE
Les observations du Solar Orbiter, en orbite depuis 2020, ont permis d’identifier de nombreux et minuscules jets qui jaillissent à la surface du Soleil, et qui sont le résultat des mouvements de petits champs magnétiques qui s’accrochent, se tordent et se cassent. Ces jets de plasma chaud sont canalisés dans la couronne et envoient de la masse et de l’énergie dans le vent solaire, détaille Lakshmi Pradeep Chitta, physicien spécialiste du Soleil à l’Institut Max Planck pour la recherche sur le système solaire à Göttingen, en Allemagne, qui a récemment dirigé une étude sur ces jets.
La chromosphère, partie basse de l'atmosphère du Soleil située juste au-dessus de sa surface, capturée par le télescope solaire Daniel K. Inouye. Cette image représente une région de 82 500 kilomètres de diamètre, sur laquelle la Terre est ajoutée afin de mieux rendre compte des échelles de taille.
Le Parker Solar Probe, en orbite autour du Soleil depuis 2018, a également repéré de petites éruptions provoquées par des ruptures de champs magnétiques. L’équipe leur donne le nom de « jetlets », et ces derniers contribuent à alimenter le vent solaire.
« C’est totalement différent de l’idée que nous avions depuis des décennies », admet Raouafi, qui a récemment dirigé une étude sur cette découverte. En effet, le vent solaire ne s’échappe pas tranquillement de la couronne : il est formé par de nombreuses petites explosions.
Le Parker Solar Probe a lui aussi assisté à ces énormes éjections de masse coronale, qui projettent des particules à très grande vitesse. L’automne dernier, la sonde a foncé la tête la première dans l’une d’entre elles. « On peut voir toute la violence de cet événement », décrit Raouafi. L’explosion « a fait l’effet d’un aspirateur » en éliminant toutes les particules, et même des molécules de poussière plus lourdes.
« Au fur et à mesure que nous documenterons ces événements, nous pourrons apprendre comment les particules énergétiques parviennent presque à atteindre la vitesse de la lumière », poursuit le spécialiste. « Cette découverte constituera une avancée majeure pour nous. »
UN PROCESSUS MAGNÉTIQUE COMPLEXE
Derrière les nombreux jets et explosions du Soleil se cachent des forces magnétiques en constante évolution. « La force qui propulse tout ce qui peut avoir un impact sur la Terre […] est alimentée par le champ magnétique du Soleil », explique Paul Charbonneau, physicien à l’Université de Montréal.
L'Observatoire de la dynamique solaire de la NASA, qui observe le Soleil en continu, a capturé ce cliché d'éruption solaire qui compte parmi les plus intenses jamais observées, le 9 janvier 2023. Les éruptions solaires peuvent avoir un impact sur les communications radio, les réseaux électriques et les systèmes de navigation, mais aussi présenter des risques pour les engins et astronautes présents dans l'espace.
Les courants électriques qui circulent à l’intérieur du Soleil sont si complexes que les modèles des superordinateurs ne parviennent pas à les simuler avec suffisamment de précision pour recréer ce que les scientifiques constatent dans le monde réel. Cependant, ce que les chercheurs savent, grâce à des siècles d’observations documentées, c’est que le Soleil suit un cycle d’environ onze ans au cours duquel son activité magnétique atteint un minimum, puis augmente jusqu’à un maximum avant de redescendre.
Le minimum le plus récent a eu lieu en 2019, et le prochain maximum solaire devrait être atteint en 2024 ou 2025. À mesure que le Soleil tourne, ses champs magnétiques se resserrent autour de lui et commencent à se déplacer. Selon les chercheurs, ces champs se rassemblent aux pôles du Soleil et, d’une manière ou d'une autre, « à la fin du cycle solaire, tout le champ magnétique qui s’est accumulé près des pôles est attiré vers l’intérieur », décrit Charbonneau. Les scientifiques ne savent pas comment ce phénomène se produit, ni même s’il se produit réellement, car aucun télescope capable de détecter les champs magnétiques n’est parvenu à voir les pôles solaires... mais cela est sur le point de changer.
L’orbite du Solar Orbiter s’incline lentement, de sorte que d’ici quatre à cinq ans, la sonde devrait pouvoir offrir un visuel des pôles nord et sud solaires, selon Chitta. « Nous pourrons ainsi suivre les champs magnétiques ainsi que la structure des flux sur les pôles, ce qui ajoutera l’un des maillons qui nous manquent pour comprendre ce processus. »
Dans les prochaines années, les scientifiques observeront le Soleil se rapprocher doucement de son maximum, et ce qu’ils verront pourrait bien transformer tout ce que nous pensons savoir de l’étoile dont dépend la vie sur notre planète.
Cet article a initialement paru sur le site nationalgeographic.com en langue anglaise.
