À n'importe quel moment donné, jusqu'à 10 millions de jets sauvages de matière solaire ont jailli de la surface du soleil. Ils éclatent à une vitesse de 60 miles par seconde, et peut atteindre des longueurs de 6, 000 milles avant de s'effondrer. Ce sont des spicules, et malgré leur abondance semblable à de l'herbe, les scientifiques ne comprenaient pas comment ils se forment. Maintenant, pour la première fois, une simulation informatique - si détaillée qu'elle a pris une année complète à exécuter - montre comment les spicules se forment, aider les scientifiques à comprendre comment les spicules peuvent se libérer de la surface du soleil et remonter si rapidement.

Ce travail s'est appuyé sur des observations à haute cadence du spectrographe d'imagerie de la région d'interface de la NASA, ou IRIS, et le télescope solaire suédois de 1 mètre à La Palma, aux îles Canaries. Ensemble, le vaisseau spatial et le télescope scrutent les couches inférieures de l'atmosphère du soleil, connue sous le nom de région d'interface, où se forment les spicules. Les résultats de cette étude financée par la NASA ont été publiés dans Science le 22 juin 2017—une période spéciale de l'année pour la mission IRIS, qui célèbre son quatrième anniversaire dans l'espace le 26 juin.

"Modèles numériques et observations vont de pair dans nos recherches, " dit Bart De Pontieu, auteur de l'étude et responsable scientifique de l'IRIS au Lockheed Martin Solar and Astrophysics Laboratory, à Palo Alto, Californie. « Nous comparons les observations et les modèles pour déterminer les performances de nos modèles, et d'améliorer les modèles lorsque nous constatons des écarts importants."

L'observation des spicules a été un problème épineux pour les scientifiques qui veulent comprendre comment la matière et l'énergie solaires se déplacent à travers et en dehors du soleil. Les spicules sont transitoires, former et s'effondrer au cours de seulement cinq à 10 minutes. Ces structures ténues sont également difficiles à étudier depuis la Terre, où l'atmosphère brouille souvent la vision de nos télescopes.

Une équipe de scientifiques travaille sur ce modèle particulier depuis près d'une décennie, essayant encore et encore de créer une version qui créerait des spicules. Les versions antérieures du modèle traitaient la région d'interface, la basse atmosphère solaire, comme un gaz chaud de particules chargées électriquement - ou plus techniquement, un plasma entièrement ionisé. Mais les scientifiques savaient qu'il manquait quelque chose car ils n'ont jamais vu de spicules dans les simulations.

La clé, les scientifiques ont réalisé, était des particules neutres. Ils ont été inspirés par la propre ionosphère de la Terre, une région de la haute atmosphère où les interactions entre les particules neutres et chargées sont responsables de nombreux processus dynamiques.

L'équipe de recherche savait que dans les régions plus froides du soleil, comme la région d'interface, toutes les particules de gaz ne sont pas chargées électriquement. Certaines particules sont neutres, et les particules neutres ne sont pas soumises aux champs magnétiques comme le sont les particules chargées. Les scientifiques avaient basé les modèles précédents sur un plasma entièrement ionisé afin de simplifier le problème. En effet, y compris les particules neutres nécessaires était très coûteux en calcul, et le modèle final a pris environ un an pour fonctionner sur le supercalculateur Pléiades situé au centre de recherche Ames de la NASA dans la Silicon Valley, et qui soutient des centaines de projets scientifiques et techniques pour les missions de la NASA.

Le modèle a commencé par une compréhension de base de la façon dont le plasma se déplace dans l'atmosphère du soleil. Convection constante, ou bouillante, de matière à travers le soleil génère des îlots de champs magnétiques enchevêtrés. Lorsque l'ébullition les transporte à la surface et plus loin dans la basse atmosphère du soleil, les lignes de champ magnétique se remettent rapidement en place pour résoudre la tension, expulsant le plasma et l'énergie. De cette violence, un spicule est né. Mais expliquer comment ces nœuds magnétiques complexes montent et se cassent était la partie délicate.

« Habituellement, les champs magnétiques sont étroitement couplés à des particules chargées, " a déclaré Juan Martínez-Sykora, auteur principal de l'étude et physicien solaire à Lockheed Martin et au Bay Area Environmental Research Institute à Sonoma, Californie. "Avec uniquement des particules chargées dans le modèle, les champs magnétiques étaient bloqués, et ne pouvait pas s'élever au-delà de la surface du soleil. Lorsque nous avons ajouté des neutres, les champs magnétiques pourraient se déplacer plus librement."

Les particules neutres fournissent la flottabilité dont les nœuds noueux d'énergie magnétique ont besoin pour s'élever à travers le plasma bouillant du soleil et atteindre la chromosphère. Là, ils se cassent en spicules, libérant à la fois du plasma et de l'énergie. La friction entre les ions et les particules neutres chauffe encore plus le plasma, à la fois dans et autour des spicules.

With the new model, the simulations at last matched observations from IRIS and the Swedish Solar Telescope; spicules occurred naturally and frequently. The 10 years of work that went into developing this numerical model earned scientists Mats Carlsson and Viggo H. Hansteen, both authors of the study from the University of Oslo in Norway, the 2017 Arctowski Medal from the National Academy of Sciences. Martínez-Sykora led the expansion of the model to include the effects of neutral particles.

The scientists' updated model revealed something else about how energy moves in the solar atmosphere. It turns out this whip-like process also naturally generates Alfvén waves, a strong kind of magnetic wave scientists suspect is key to heating the sun's atmosphere and propelling the solar wind, which constantly bathes our solar system and planet with charged particles from the sun.

"This model answers a lot of questions we've had for so many years, " De Pontieu said. "We gradually increased the physical complexity of numerical models based on high-resolution observations, and it is really a success story for the approach we've taken with IRIS."