Depuis les années 1960, les astronomes se demandent comment le «vent solaire» supersonique du Soleil, un flux de particules énergétiques qui se jettent dans le système solaire, continue de gagner de l’énergie après avoir quitté le Soleil. En plus d’aider les scientifiques à mieux prédire l’activité solaire et la météorologie spatiale, ces informations nous aident également à comprendre les mystères de l’Univers ailleurs et le fonctionnement des étoiles comme le Soleil et des vents stellaires partout dans le monde.
Depuis les années 1960, les astronomes se demandent comment le «vent solaire» supersonique du Soleil, un flux de particules énergétiques qui se jettent dans le système solaire, continue de gagner de l’énergie après avoir quitté le Soleil. Aujourd’hui, grâce à une coïncidence fortuite entre les vaisseaux spatiaux de la NASA et de l’ESA (Agence spatiale européenne)/NASA qui étudient actuellement le Soleil, ils ont peut-être trouvé la réponse – une connaissance qui constitue une pièce essentielle du puzzle pour aider les scientifiques à mieux prédire l’activité solaire entre le Soleil et Terre.
L’article, publié dans le numéro du 30 août 2024 de la revue Science, fournit des preuves irréfutables que les vents solaires les plus rapides proviennent de «commutateurs» magnétiques ou de grandes courbures du champ magnétique près du Soleil.
“Notre étude répond à une énorme question ouverte sur la façon dont le vent solaire est chargé et nous aide à comprendre comment le Soleil influence son environnement et, en fin de compte, la Terre”, a déclaré Yeimi Rivera, co-chercheur principal de l’étude et chercheur scientifique au Smithsonian Astrophysical. Observatoire qui fait partie du Harvard Center for Astrophysics. “Si ce processus se produit dans notre étoile locale, il est très probable qu’il alimente les vents d’autres étoiles de la Voie lactée et au-delà et pourrait avoir des implications sur l’habitabilité des exoplanètes.”
Auparavant, la sonde solaire Parker de la NASA avait découvert que ces transitions inverses étaient courantes dans tout le vent solaire. Parker, qui est devenu le premier vaisseau spatial à pénétrer dans l’atmosphère magnétique du Soleil en 2021, a permis aux scientifiques de déterminer que les transitions inverses deviennent plus claires et plus puissantes à proximité du Soleil. Cependant, jusqu’à présent, les scientifiques n’avaient aucune preuve expérimentale que ce phénomène libère réellement suffisamment d’énergie pour jouer un rôle important dans le vent solaire.
Parker est conçu pour voler à travers l’atmosphère du Soleil, ou «couronne». La mission Solar Orbiter de l’ESA et de la NASA tourne également relativement près du Soleil et mesure le vent solaire sur de grandes distances.
La découverte a été rendue possible grâce à une coïncidence en février 2022 qui a permis à Parker Solar Probe et Solar Orbiter de mesurer le même flux de vent solaire à deux jours d’intervalle. Solar Orbiter était presque à mi-chemin du Soleil, tandis que Parker contournait le bord de l’atmosphère magnétique du Soleil.
«Au départ, nous n’avions pas réalisé que Parker et Solar Orbiter mesuraient la même chose. Parker a vu ce plasma plus lent près du Soleil qui était plein d’ondes inverses, puis Solar Orbiter a capté un flux rapide qui était chaud et avait très peu d’activité ondulatoire», a déclaré Samuel Badman, astrophysicien au Centre d’Astrophysique et un autre co- chercheur principal de l’étude. “Lorsque nous avons connecté les deux, ce fut un véritable moment d’eurêka.”
Les scientifiques savent depuis longtemps que l’énergie se déplace à travers la couronne solaire et le vent solaire, au moins en partie, à travers ce que l’on appelle les «ondes d’Alfvén». Ces ondes transportent de l’énergie à travers le plasma, l’état surchauffé de la matière qui constitue le vent solaire.
Cependant, il était impossible de mesurer dans quelle mesure les ondes d’Alfvén évoluent et interagissent avec le vent solaire entre le Soleil et la Terre, jusqu’à ce que les deux missions soient envoyées plus près du Soleil que jamais en même temps. Les scientifiques peuvent désormais déterminer directement quelle quantité d’énergie est stockée dans les fluctuations magnétiques et de vitesse de ces ondes proches de la couronne, et quelle quantité d’énergie en moins est transportée par les ondes plus éloignées du Soleil.
La nouvelle étude montre que les ondes d’Alfvén, sous forme d’ondes inverses, fournissent suffisamment d’énergie pour expliquer l’échauffement et l’accélération enregistrés dans le flux plus rapide du vent solaire à mesure qu’il s’éloigne du Soleil.
“Il a fallu plus d’un demi-siècle pour confirmer que l’accélération et le réchauffement des ondes d’Alfvén sont des processus importants, et qu’ils se produisent à peu près comme nous le pensons”, a déclaré John Belcher, professeur émérite au MIT qui a co-découvert les ondes d’Alfvén dans le vent solaire, mais n’a pas participé à cette étude.
En plus d’aider les scientifiques à mieux prédire l’activité solaire et la météorologie spatiale, ces informations nous aident également à comprendre les mystères de l’Univers ailleurs et le fonctionnement des étoiles comme le Soleil et des vents stellaires partout dans le monde.
“Cette découverte est l’une des pièces clés du puzzle pour répondre à la question vieille de 50 ans de savoir comment le vent solaire accélère et se réchauffe dans les parties internes de l’héliosphère, nous rapprochant ainsi de l’un des principaux objectifs scientifiques de l’étude Parker. Mission Solar Probe», a déclaré Adam Szabo, scientifique de la mission Parker Solar Probe de la NASA.
Le mécanisme de formation du vent solaire «lent» a été révélé. Les observations de Solar Probe soutiennent la théorie selon laquelle le vent solaire lent est constitué de matière généralement piégée dans les régions dites fermées de la couronne, où les lignes de champ magnétique ont tendance à rester fermées.
Grâce à la sonde Solar Orbiter, une équipe internationale d’astronomes a découvert la première preuve physique que le vent solaire lent se produit dans des régions fermées de la couronne solaire à la suite de ruptures et de reconnexions de lignes de champ magnétique. C’est ce qu’a rapporté le service de presse de l’Université britannique de Northumbria.
«Les données collectées avec l’aide de Solar Orbiter ont indiqué que les flux de vent solaire «lent» proviennent des régions du Soleil où se touchent les zones fermées et ouvertes de la couronne solaire. Cela conforte une théorie liant la formation du vent solaire «lent» à la reconnexion des lignes de champ magnétique, qui permet à la matière de «s’échapper» des régions fermées de la couronne», indique le rapport.
C’est la conclusion à laquelle est parvenu un groupe d’astronomes dirigé par Udo Schüle, chercheur à l’Institut de recherche sur le système solaire de Göttingen, en étudiant les données collectées par la sonde Solar Orbiter en mars 2022. À cette époque, comme le notent les scientifiques, le vaisseau spatial se trouvait à seulement 0,5 unité astronomique du Soleil (la distance moyenne entre la Terre et l’astre), ce qui a permis aux scientifiques d’étudier la structure de deux courants de vent solaire « lent ». immédiatement.
En les étudiant, les scientifiques ont tiré parti du fait que les proportions de magnésium, de néon et de certains autres éléments lourds dans la couronne solaire diffèrent considérablement selon les régions. Cela permet de déterminer d’où est originaire tel ou tel flux de vent solaire et de révéler les mécanismes de sa formation. Guidés par cette idée, les scientifiques ont mesuré les proportions de magnésium et de néon dans cinq flux de vent solaire à l’aide des instruments Solar Orbiter.
Les calculs effectués par les scientifiques ont indiqué que des courants de vent solaire «lents» se sont formés dans les zones de la surface du Soleil où se trouvent des zones frontalières entre les trous coronaux et le reste de la couronne solaire. Selon les chercheurs, cela suggère que le vent «lent» résulte de ruptures et de reconnexions des lignes de champ magnétique dans ces zones de la couronne, qui permettent à la matière de ses régions internes de «s’échapper» dans l’espace.
Comme le notent les chercheurs, les observations de Solar Probe soutiennent la théorie selon laquelle le vent solaire «lent» est constitué de matière généralement piégée dans les régions dites fermées de la couronne, où les lignes de champ magnétique ont tendance à rester fermées. Leurs coupures et reconnexions périodiques créent des conditions propices à la formation d’émissions très hétérogènes et instables du vent solaire «lent», ont conclu les chercheurs.
Solar Orbiter est un projet conjoint de la NASA et de l’Agence spatiale européenne d’une valeur d’environ 1,5 milliard de dollars. Au total, la sonde est équipée de dix instruments différents, dont six seront constamment pointés vers le Soleil, et quatre autres seront nécessaires pour étudier l’état du Soleil. de l’environnement autour de l’appareil lui-même. De plus, un bouclier thermique spécial est installé sur la sonde, ce qui permet à l’appareil de s’approcher du Soleil à une distance allant jusqu’à 42 millions de km.
La NASA mène plusieurs missions pour étudier l’impact du Soleil et des tempêtes solaires sur la Terre et les voyages dans l’espace, et la Station spatiale internationale contribue à cette recherche de plusieurs manières.
Mesures améliorées de l’énergie solaire. Le capteur d’irradiation solaire totale et spectrale (TSIS) de la station mesure l’irradiation solaire, l’énergie solaire que la Terre reçoit, et l’irradiance spectrale solaire, une mesure de l’énergie du soleil à des longueurs d’onde individuelles. La connaissance de l’ampleur et de la variabilité du rayonnement solaire améliore la compréhension du climat, de l’atmosphère et des océans de la Terre et permet des prévisions météorologiques spatiales plus précises. Des prévisions plus précises pourraient, à leur tour, contribuer à protéger les personnes et les satellites dans l’espace, ainsi que les transmissions d’énergie et les communications radio sur Terre.
Les cinq premières années d’observations TSIS ont démontré des lectures spectrales améliorées à long terme et une incertitude réduite par rapport aux mesures de la mission précédente de la NASA, le satellite Solar Radiation and Climate. La précision des observations TSIS peut améliorer les modèles de variabilité de l’irradiation solaire et contribuer aux enregistrements à long terme de l’irradiation solaire.
La charge utile externe de surveillance solaire Columbus, ou Solar, de l’ESA (Agence spatiale européenne) collecte des données sur la production d’énergie solaire depuis plus d’une décennie à l’aide de trois instruments couvrant la plupart des longueurs d’onde du spectre électromagnétique. Les différentes longueurs d’onde émises par le Soleil sont absorbées et affectent l’atmosphère terrestre et contribuent à notre climat et à nos conditions météorologiques. Cette surveillance aide les scientifiques à comprendre comment le rayonnement solaire affecte la Terre et fournit des données permettant de créer des modèles permettant de prédire son impact.
L’un des instruments, le Solar Variable and Irradiance Monitor, couvrait les parties proche ultraviolette, visible et thermique du spectre et a contribué à améliorer la précision de ces mesures.
L’outil de mesure de l’irradiance SOLar SPECtral couvre des plages plus élevées du spectre solaire. Ses observations ont révélé des différences significatives par rapport aux spectres et modèles solaires de référence précédents. Les chercheurs ont également rapporté que des observations répétées ont identifié un spectre de référence pour la première année de la mission SOLAR, qui correspondait au minimum solaire avant le 24e cycle solaire.
L’activité solaire augmente et diminue selon des cycles d’environ 11 ans. Le cycle solaire actuel 25 a commencé en décembre 2019 et les scientifiques ont prédit un pic d’activité solaire entre janvier et octobre 2024, qui comprenait les tempêtes de mai.
Le troisième instrument, les spectromètres EUV/UV à calibrage automatique SOLar, a mesuré la partie du spectre solaire entre l’ultraviolet extrême et l’ultraviolet. La majeure partie de ce rayonnement à haute énergie est absorbée par la haute atmosphère, ce qui rend impossible les mesures depuis le sol. Les résultats ont montré que ces instruments peuvent surmonter le problème de sensibilité réduite observé dans d’autres instruments de mesure solaire et fournir une collecte de données plus efficace.
Pour le projet AuroraMAX de l’ASC (Agence spatiale canadienne), les membres de l’équipage ont photographié les aurores boréales au-dessus de Yellowknife , au Canada, entre l’automne 2011 et la fin du printemps 2012. L’imagerie spatiale, coordonnée avec un réseau d’observatoires au sol à travers le Canada, a été utilisée dans une exposition interactive au Festival des arts et des sciences pour susciter l’intérêt du public sur la façon dont l’activité solaire affecte la Terre. Le projet propose également une diffusion en direct des aurores boréales en ligne chaque septembre-avril.
Le spectromètre solaire miniature à rayons X du CubeSat a mesuré les variations de l’activité des rayons X solaires pour aider les scientifiques à comprendre comment ils affectent la haute atmosphère terrestre. L’activité des rayons X solaires augmente lors des éruptions solaires. Des étudiants du laboratoire de physique spatiale atmosphérique de l’Université du Colorado ont construit le satellite, qui a été lancé depuis la station spatiale début 2016.
De meilleures données aident les scientifiques à comprendre comment les événements solaires affectent les satellites, les missions humaines et les infrastructures dans l’espace et sur Terre. Les efforts en cours pour mesurer la réaction de l’atmosphère terrestre aux tempêtes solaires constituent une partie importante des plans de la NASA pour les missions Artemis sur la Lune et les missions ultérieures vers Mars.
Solar Orbiter, dirigé par l’ESA, a établi pour la première fois un lien entre les mesures du vent solaire autour d’un vaisseau spatial et des images haute résolution de la surface solaire à courte distance. Ce succès ouvre une nouvelle voie aux physiciens solaires pour étudier les régions sources du vent solaire.
Le vent solaire est une pluie infinie de particules chargées électriquement émises par le Soleil. Il est très variable, modifiant ses caractéristiques telles que la vitesse, la densité et la composition en fonction de son origine sur la surface du Soleil.
Cependant, malgré des décennies de recherche, certains aspects de l’origine du vent solaire restent mal compris. Et au moment où le vent atteint la Terre, de nombreux détails sont flous, ce qui rend presque impossible son suivi vers des zones spécifiques de la surface du soleil.
Lorsque le vent solaire traverse le système solaire, il interagit avec les corps célestes et les vaisseaux spatiaux. Ces interactions vont de bénéfiques, dans le cas des aurores sur notre planète, à extrêmement destructrices, lorsque les tempêtes solaires peuvent interférer, voire endommager, les systèmes électriques sur Terre ou dans les vaisseaux spatiaux.
Ainsi, comprendre le vent solaire est une priorité pour les physiciens qui étudient le soleil. L’un des principaux objectifs de la mission Solar Orbiter était de relier le vent solaire autour du vaisseau spatial à ses sources sur le Soleil. Ce nouveau résultat, utilisant les données collectées lors de la première approche rapprochée du Soleil par Solar Orbiter, montre que c’est possible, un objectif clé de la mission et une nouvelle façon d’étudier les origines du vent solaire.
Solar Orbiter peut établir ces connexions car il dispose d’instruments fixes et distants. Les instruments embarqués mesurent le plasma du vent solaire et le champ magnétique autour du vaisseau spatial, tandis que les instruments de télédétection obtiennent des images et d’autres données sur le Soleil lui-même. La difficulté est que les caméras montrent le Soleil tel qu’il apparaît actuellement, tandis que les instruments de la station montrent l’état du vent solaire émis depuis la surface du Soleil quelques jours plus tôt. En effet, les particules du vent solaire mettent un certain temps à atteindre le vaisseau spatial.
Pour relier les deux ensembles de données, les astronomes utilisent un logiciel en ligne appelé Magnetic Connectivity Tool, développé pour soutenir la mission Solar Orbiter. Les données d’entrée de l’outil de connectivité proviennent du Global Oscillation Network Group, une série de six télescopes solaires dispersés dans le monde qui surveillent en permanence les oscillations à la surface du Soleil. Sur la base de ces observations, un modèle informatique calcule la manière dont le vent solaire se déplace à travers le système solaire.
“Vous pouvez prédire où sur la surface du soleil vous pensez que Solar Orbiter se connectera d’ici quelques jours”, explique Stephanie Yardley de l’Université de Northumbria au Royaume-Uni, auteur principal de l’article annonçant les résultats.
L’équipe a sélectionné des cibles à observer à la surface du Soleil et a utilisé un instrument de communication magnétique pour prédire quand le vaisseau spatial volerait à travers le vent solaire émis par ces surfaces. La suite unique d’instruments de Solar Orbiter, qui couvre à la fois les mesures in situ et la télédétection, ainsi que son orbite qui le rapproche du Soleil, ont été spécialement conçues pour permettre d’essayer ce type de communication scientifique.
Les données ont été collectées entre le 1er et le 9 mars 2022, lorsque Solar Orbiter se trouvait à environ 75 millions de kilomètres du Soleil, soit environ la moitié de la distance entre la Terre et le Soleil.
En général, il existe deux types de vent solaire: le vent solaire rapide, qui se déplace à des vitesses supérieures à 500 km/s, et le vent solaire lent, qui se déplace à des vitesses inférieures à 500 km/s.
Alors que l’on sait que le vent solaire rapide provient de configurations magnétiques appelées trous coronaux, qui canalisent le vent solaire vers l’espace, les origines du vent solaire lent sont encore mal comprises. On sait qu’il est associé à des «régions actives» du Soleil où apparaissent des taches solaires, mais les détails sont difficiles à déterminer. Les taches solaires sont des régions plus froides de la photosphère solaire où des champs magnétiques intenses se tordent et se concentrent. Ils indiquent des régions actives du Soleil, souvent responsables d’éruptions solaires.
Pour prouver la capacité de l’équipe à relier le vent solaire lent mesuré in situ à son origine sur la surface solaire, le vaisseau spatial devait voler à travers un champ magnétique associé au bord d’un trou coronal ou d’un complexe de taches solaires. Cela a permis à l’équipe d’observer comment le vent solaire changeait de vitesse – de rapide à lent ou vice versa – et d’autres propriétés, confirmant ainsi qu’elle regardait la bonne zone. En fin de compte, ils ont obtenu la combinaison parfaite des deux types de caractéristiques.
«Solar Orbiter a survolé le trou coronal et la région active, et nous avons vu des flux rapides de vent solaire suivis de vents lents. Nous avons constaté une grande complexité que nous pouvions relier aux zones sources», explique Stéphanie. Cela incluait des changements de composition et de température dans ces zones spécifiques.
En analysant les différents flux de vent solaire détectés par Solar Orbiter, l’équipe a clairement montré que le vent solaire a encore des «empreintes» laissées par différentes régions de ses sources, ce qui permet aux physiciens étudiant le rayonnement solaire de retracer plus facilement les flux jusqu’à leurs points d’origine. origine sur le Soleil.
FURST obtiendra les premiers spectres à haute résolution du « Soleil en étoile » dans l’ultraviolet sous vide (VUV), une longueur d’onde de la lumière qui est absorbée dans l’atmosphère terrestre, ce qui signifie qu’elle ne peut être observée que depuis l’espace. Les astronomes ont étudié d’autres étoiles dans l’ultraviolet sous vide à l’aide de télescopes en orbite, mais ces instruments sont trop sensibles pour être pointés vers le Soleil. Les progrès récents de la spectroscopie VUV à haute résolution permettent désormais des observations similaires de notre propre étoile, le Soleil.
Et si nous comparions le Soleil à d’autres étoiles étudiées par la NASA au fil des années? Sera-t-il toujours aussi unique? Le spectrographe de fusée ultraviolette plein soleil (FURST) vise à répondre à ces questions lors de son lancement à bord de la fusée-sonde Black Brant IX le 11 août au champ de tir de missiles White Sands au Nouveau-Mexique. La NASA et ses partenaires ont annulé la première tentative de lancement de la mission FURST Sounding Rocket le 11 août en raison de problèmes liés aux systèmes de refroidissement, mais attendent une prochaine tentative plus réussie.
«Lorsque nous parlons du «Soleil comme étoile», nous le traitons comme n’importe quelle autre étoile dans le ciel nocturne, et non comme un objet unique sur lequel nous comptons pour préserver la vie sur Terre. C’est tellement excitant d’étudier le Soleil de ce point d’observation», a déclaré Adam Kobelski, chercheur principal de FURST et astrophysicien de recherche au Marshall Space Flight Center à Huntsville, en Alabama.
Le télescope Hubble étant trop sensible pour pointer vers le Soleil terrestre, de nouveaux instruments étaient nécessaires pour obtenir un spectre du Soleil entier d’une qualité similaire à celle des observations d’autres étoiles faites par Hubble. Le Marshall Space Flight Center a construit la caméra, l’avionique, et a conçu et construit un nouveau système d’étalonnage pour la mission FURST. La Montana State University (MSU), qui dirige la mission FURST en partenariat avec Marshall, a construit un système optique comprenant sept éléments optiques qui alimenteront une caméra qui créera essentiellement sept expositions couvrant toute la gamme de longueurs d’onde ultraviolettes.
Charles Kankelborg, professeur d’héliophysique à l’Université d’État de Moscou et chercheur principal de FURST, a décrit la mission comme un effort hautement collaboratif aux implications de grande envergure.
“Notre mission obtiendra le premier spectre ultraviolet lointain du Soleil en tant qu’étoile”, a déclaré Kankelborg. «Il s’agit d’une information clé qui manquait depuis des décennies. Avec son aide, nous placerons le Soleil dans le contexte d’autres étoiles.»
FURST sera le troisième lancement dirigé par Marshall pour le programme Sounding Rocket de la NASA en cinq mois, faisant de 2024 une année active pour le programme. Comme la mission Hi-C Flare lancée en avril, la fusée-sonde se lancera et s’ouvrira pendant le vol pour permettre à FURST d’observer le Soleil pendant environ cinq minutes avant de se fermer et de retomber à la surface de la Terre. Les membres de l’équipe Marshall pourront calibrer les instruments pendant le lancement et le vol, et obtenir des données pendant le vol et peu après l’atterrissage.