Dans l'image obtenue avec le spectrographe IRIS de la NASA, on peut voir dans le lit ou les limbes du Soleil la multitude de jets bondissant à la surface. Dans l'image du centre, le modèle numérique est capable de reproduire les jets. Dans l'image ci-dessous, prise avec le télescope solaire suédois de l'observatoire Roque de los Muchachos (La Palma), les jets sont observés dans le disque solaire sous forme de structures filamenteuses de courte durée et réfléchies dans le spectre décalé vers le bleu car ils se rapprochent de la Terre. Crédit :Télescope solaire suédois de l'observatoire Roque de los Muchachos (La Palma)
Combinant observations et simulations informatiques, un nouveau modèle montre que la présence de neutres dans le gaz facilite la pénétration des champs magnétiques à travers la surface du Soleil produisant les spicules. Dans cette étude, dirigé par un astrophysicien qui a étudié à l'Université de La Laguna, a participé le télescope solaire suédois de l'observatoire Roque de los Muchachos à La Palma.
À n'importe quel moment donné, jusqu'à 10 millions de serpents sauvages de matière solaire sautent de la surface du soleil. Ce sont des spicules, et malgré leur abondance, les scientifiques n'ont pas compris comment ces jets de plasma se forment et n'ont pas influencé le chauffage des couches externes de l'atmosphère du soleil ou du vent solaire. Maintenant, pour la première fois, dans une étude financée en partie par la NASA, les scientifiques ont modélisé la formation des spicules. Pour la première fois, une équipe scientifique a révélé leur nature en combinant des simulations et des images prises avec le spectrographe IRIS de la NASA et le télescope solaire suédois de l'observatoire Roque de los Muchachos (Garafía, La Palma). L'étude, dirigé par le Dr Juan Martinez-Sykora, chercheur au Laboratoire Solaire et Astrophysique de Lockheed Martin (Californie) et astrophysicien à l'Université de La Laguna (ULL), est publié aujourd'hui dans la revue Science .
Les observations ont été faites avec IRIS (NASA's Interface Region Imaging Spectrograph), un télescope spatial ultraviolet de 20 cm avec un spectrographe capable d'observer des détails d'environ 240 km, et le télescope solaire suédois, situé à l'observatoire du Roque de los Muchachos. Ce vaisseau spatial et le télescope au sol étudient les couches inférieures de l'atmosphère solaire, où se forment les spicules :la chromosphère et la région de transition
En plus des images, ils ont utilisé des simulations informatiques dont le code a été développé pendant près d'une décennie. « Dans nos recherches, " dit le Pr Bart De Pontieu, également auteur de l'étude, « les deux vont de pair. « Nous comparons les observations et les modèles pour déterminer les performances de nos modèles, ainsi que la façon dont nous devrions interpréter nos observations spatiales."
Leur modèle est basé sur la dynamique du plasma, le gaz chaud de particules chargées qui s'écoule le long des champs magnétiques et constitue le soleil. Les versions antérieures du modèle traitaient la région d'interface comme une zone uniforme, ou complètement chargé, plasma, mais les scientifiques savaient qu'il manquait quelque chose car ils n'ont jamais vu de spicules dans les simulations.
Le modèle qu'ils ont généré est basé sur la dynamique du plasma, un gaz très chaud partiellement ionisé circulant le long des champs magnétiques. Les versions précédentes considéraient la basse atmosphère comme un plasma uniforme ou entièrement chargé, mais ils soupçonnaient qu'il manquait quelque chose car ils n'avaient jamais détecté de pics 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 particules neutres et chargées sont responsables de nombreux processus dynamiques. Dans les régions plus fraîches du soleil, comme la région d'interface, le plasma n'est pas vraiment uniforme. Certaines particules sont encore neutres, et les particules neutres ne sont pas soumises aux champs magnétiques comme le sont les particules chargées. Les scientifiques ont basé les modèles précédents sur un plasma uniforme afin de simplifier le problème - la modélisation est coûteuse en temps de calcul, et le modèle final a mis environ un an à fonctionner avec les ressources de calcul intensif de la NASA, mais ils ont réalisé que les particules neutres sont une pièce nécessaire du puzzle.
« 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. "Avec uniquement des particules chargées dans le modèle, les champs magnétiques étaient bloqués, et n'a pas pu remonter à la surface. Lorsque nous avons ajouté des neutres, les champs magnétiques pourraient se déplacer plus librement."
Les particules neutres facilitent la flottabilité dont les nœuds marbrés d'énergie magnétique ont besoin pour s'élever à travers le plasma en ébullition et atteindre la surface. Là, ils cassent en produisant des spicules, libérant à la fois du plasma et de l'énergie. Les simulations correspondaient étroitement aux observations; les spicules sont apparus naturellement et fréquemment.
"Ce résultat est un exemple clair de la percée qui peut être réalisée en combinant de puissantes méthodes théoriques-numériques, des observations de pointe et des outils de calcul intensif pour mieux comprendre les phénomènes astrophysiques", explique le professeur Fernando Moreno-Insertis, physicien solaire à l'IAC, Professeur ar l'ULL et superviseur du travail Diplôme d'Etudes Approfondies (DEA) de Juan Martínez-Sykora. "La grande complexité de nombreux phénomènes qui se produisent dans l'atmosphère solaire nous oblige à considérer en même temps la dynamique du gaz partiellement ionisé, le champ magnétique et l'interaction rayonnement-matière afin de pouvoir les expliquer de manière satisfaisante".
"Ce résultat est un exemple clair des avancées qui peuvent être réalisées en combinant de puissantes méthodes théoriques et numériques, des observations de pointe et des outils de calcul intensif pour mieux comprendre les phénomènes astrophysiques", explique Fernando Moreno-Insertis, physicien solaire à l'IAC, Professeur à l'ULL et directeur de thèse de DEA (équivalent à un mémoire de maîtrise) de Juan Martínez-Sykora. "La grande complexité de nombreux phénomènes qui se produisent dans l'atmosphère solaire nous oblige à considérer en même temps la dynamique du gaz partiellement ionisé, le champ magnétique et l'interaction rayonnement-matière afin de pouvoir les expliquer de manière satisfaisante".
Le modèle mis à jour des scientifiques a également révélé quelque chose sur le transport de l'énergie solaire. Il s'avère que l'énergie de ce processus en forme de fouet est suffisamment élevée pour générer des ondes d'Alfvén, une sorte de vague puissante que les scientifiques soupçonnent d'être la clé pour chauffer l'atmosphère du soleil et propulser le vent solaire, qui baigne constamment le système solaire de particules chargées du soleil.
L'Académie nationale des sciences a décerné au professeur Mats Carlsson et au professeur Viggo H. Hansteen, à la fois les développeurs du modèle et les auteurs de l'étude, avec la médaille Arctowski 2017 en reconnaissance de leurs contributions à l'étude de la physique solaire et de la connexion Soleil-Terre. Juan Martínez-Sykora a inclus les effets produits par la présence des particules neutres.
