Etude de l’atmosphère du Soleil Understand article

Traduit par C. Pugieux. Ne vous êtes-vous jamais demandés quelles sont les conséquences du vent solaire pour nous sur Terre ou ce qu’il se passe lorsque la surface du soleil entre en éruption? Lucie Green, qui travaille au sein du Laboratoire des sciences de l’espace de Londres au…

Un programme de recherche, dédié à l’étude du soleil et son influence sur le système solaire, est en cours. A l’initiative des Nations Unis, il s’intitule ‘Année internationale d’héliophysique’^w1, et des scientifiques de toute l’Europe y participent. Un des sujets d’étude porte sur l’atmosphère solaire car de nombreuses questions reste sans réponse à propos de notre étoile locale.

Une des ces questions s’est posée en 1869, lorsque les observations spectroscopiques d’une éclipse totale du soleil ont révélé une raie spectrale, inconnue jusqu’alors en laboratoire. Initialement supposé être un nouvel élément, provisoirement appelé coronium, en réalité, il a été démontré bien plus tard être issu de la production d’ions de fer fortement ionisés, ce qui nécessite des températures très élevées (d’environ 1 million Kelvin) pour se former. Cette découverte, en 1939, donna la première indication que les gaz de l’atmosphère solaire étaient nettement plus chauds que la surface dont la température atteint 6000 Kelvin. C’était une énigme. En s’éloignant de la source de chaleur (le noyau du soleil), la température devrait décroître. C’est le cas jusqu’à la limite de la photosphère, mais au-delà, la température augmente proportionnellement à l’éloignement du noyau. Or cela va à l’encontre du deuxième principe de thermodynamique qui établit qu’un corps ne peut pas chauffer un corps plus chaud que lui. Le challenge est de découvrir la source d’énergie de la couronne solaire? Cette énigme est connue sous le nom de problème de chauffage de la couronne solaire.

Bien que le spectre visible des émissions de la couronne fut révèle, la majorité des émissions se font dans les longueurs d’onde de l’ultraviolet et des rayons X. Lorsque la conquête spatiale débuta en 1957, des télescopes à rayons X, intégrés à des navettes spatiales et satellites, ont pu collecter des données au-delà de l’atmosphère absorbante de la Terre et ont permis aux scientifiques de débuter l’étude des phénomènes en cours. Les observations ont rapidement montré que l’émission de rayons X lumineux était visible dans la région de l’atmosphère solaire où les champs magnétiques étaient les plus intenses.Y a-t-il un lien entre les champs magnétiques et la source de chauffage de la couronne?

Des observations, collectées entre autres par des navettes de l’Agence spatiale européenne et la NASA lors de la mission SOHO en 1995, sont utilisées afin de tester un certain nombre de théories. Ces théories sont réparties en deux catégories: la première est basée sur un modèle qui décrit que l’énergie provient du champ magnétique qui encercle la couronne, la seconde est un modèle dit de vagues qui décrit la déposition de l’énergie par vagues se propageant de bas en haut. La théorie, actuellement privilégiée, établit que l’énergie dérive des champs magnétiques qui sont constamment bousculés et déplacés, mais les recherches se poursuivent.

Une des conséquences de la chaleur de la couronne solaire et de sa haute conductivité thermale, est l’expansion constante du soleil dans l’espace. Cette expansion porte le nom de vent solaire, qui est divisé en deux catégories: le vent solaire lent qui voyage à une vitesse d’environ 400km/s et le vent solaire rapide qui voyage à environ 800km/s. Pour l’instant, ni les mécanismes d’accélération, ni la localisation de ces deux catégories ne sont vraiment comprises, mais les deux sont étudiées.

Le vent solaire souffle sur toutes les planètes et autres corps du système solaire. Quelques planètes génèrent leur propre champs magnétiques: soit grâce à un noyau de fer fondu (cas de la Terre) soit grâce à une atmosphère d’hydrogène tellement compressé qu’il agit comme un métal (cas de Jupiter). Cela forme une bulle magnétique autour de la planète, autour de laquelle le vent solaire circule. La planète et son champs magnétique se comporte tel un rocher dans une rivière, qui dévie le cours de l’eau. Cependant, le vent solaire porte avec lui un champ magnétique, qui, s’il a une forte orientation sud, s’aligne avec le champ magnétique de la Terre. Dans ce cas, il se produit des aurores polaires intenses (appelées lumières du Nord et du Sud).

Des études sont menées pour déterminer comment l’énergie est transférée du vent solaire au champ magnétique et à l’atmosphère terrestre. Des recherches sont également menées pour étudier l’impact du vent solaire sur les planètes ne possédant pas de champ magnétique. Par exemple, la sonde Venus Express, actuellement en orbite autour de Venus, mesure l’érosion de l’atmosphère vénusienne due au vent solaire.

Les activités les plus spectaculaires se produisant dans l’atmosphère solaire sont les éruptions immenses de plasma et de champ magnétique, plus connues sous le nom d’éjections de masse coronale, ou CME. Découvertes dans les années 70, il a depuis été démontré que leur fréquence varie de manière cyclique (connu sous le nom de cycle solaire): les CME ont lieu au minimum 1 fois tous les 3 jours, et au maximum de 3 à 5 fois par jour. Ces éruptions peuvent être en direction de la Terre, et comme dans le cas du vent solaire, une connection avec le champ magnétique terrestre peut être créé. Dans ce cas, de graves conséquences peuvent être ressenties sur Terre telles que le réchauffement et l’expansion de l’atmosphère de la Terre, ce qui induit des changement dans les orbites de satellites. L’effet réel de ces CME les rend passionnant à étudier et en ce moment une flotte d’engins spatiaux se dédicacent à leur étude.

La cause des CME est liée aux champs magnétiques solaires, créés par des courants électriques de ce qui est appelé la dynamo solaire, situe au cœur du soleil. Des ensembles de champs concentrés atteignent et émergent à travers la photosphère et s’étendent jusque dans la couronne. Ce champ magnétique est constamment éjecté dans l’atmosphère et l’on pense que les CME seraient un moyen de l’éliminer et de prévenir une accumulation. Des études sont menées avec des sondes spatiales telles que SOHO, TRACE, STEREO et Hinode, qui enregistrent les variations des structures du champ magnétique au cours du temps.

La mission STEREO consiste en deux satellites jumeaux placés en orbite autour du soleil de manière à ce qu’ils puissent s’éloigner de la Terre (une orbite est légèrement plus proche du soleil que de la Terre et l’autre est légèrement plus éloignée du soleil). Ainsi, ces satellites visualisent le soleil à partir de deux positions distinctes. De la même façon que nos yeux nous permettent une vision en profondeur et perspective, la sonde STEREO nous fournit une vue tridimensionnelle des éruptions des structures magnétiques (voir ci-dessousimage). La vision en 3D est utilisée afin de comprendre les données physiques de l’éruption en connaissance de la structure du champs magnétique. STEREO aide également a prévoir les CME qui entreront en collisions avec la Terre. Ces connaissances pourraient être utilisées par les opérateurs de satellites ou les organismes qui gèrent le réseau électrique: par exemple, les orbites des satellites pourraient être suivies de près lorsque l’on prévoit la collision de CME avec la Terre.

Le vent solaire qui souffle continuellement et les CME sporadiques impliquent que la Terre ressente toujours la présence du Soleil. On peut même dire que l’on est assis dans l’atmosphère du soleil, qui est en expansion dans le système solaire. Ainsi, de même que la recherche fondamentale tente de percer les mystères de notre étoile locale, nous, nous voulons comprendre notre place dans le système solaire.

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