En 1610, Galilée a redessiné le télescope et a découvert les quatre plus grandes lunes de Jupiter. Près de 400 ans plus tard, Le télescope spatial Hubble de la NASA a utilisé sa puissante optique pour regarder profondément dans l'espace, permettant aux scientifiques de déterminer l'âge de l'univers.

Qu'il suffise de dire que mieux voir les choses produit des avancées scientifiques majeures.

Dans un article publié le 18 juillet dans The Journal d'astrophysique , une équipe de scientifiques dirigée par Craig DeForest, physicien solaire à la succursale du Southwest Research Institute à Boulder, Colorado—démontrer que cette tendance historique tient toujours. En utilisant des algorithmes avancés et des techniques de nettoyage des données, l'équipe a découvert jamais détecté auparavant, des structures à grain fin dans la couronne extérieure (l'atmosphère à un million de degrés du Soleil) en analysant les images prises par le vaisseau spatial STEREO de la NASA. Les nouveaux résultats fournissent également une préfiguration de ce qui pourrait être vu par la sonde solaire Parker de la NASA, qui, après son lancement à l'été 2018, orbitera directement à travers cette région.

La couronne extérieure est la source du vent solaire, le flux de particules chargées qui s'écoule du Soleil dans toutes les directions. Mesuré près de la Terre, les champs magnétiques noyés dans le vent solaire sont entrelacés et complexes, mais les causes de cette complexité restent floues.

"Dans l'espace lointain, le vent solaire est turbulent et en rafales, " a déclaré DeForest. "Mais comment est-il arrivé de cette façon? A-t-il laissé le soleil lisse, et devenir turbulent en traversant le système solaire, ou les rafales nous parlent-elles du Soleil lui-même ?"

Pour répondre à cette question, il faut observer la couronne extérieure, la source du vent solaire, dans les moindres détails. Si le Soleil lui-même provoque la turbulence du vent solaire, alors nous devrions être capables de voir des structures complexes dès le début du voyage du vent.

Mais les données existantes n'ont pas montré une structure aussi fine - du moins, jusqu'à maintenant.

"Les images précédentes de la couronne montraient la région comme une zone lisse, structure laminaire, " a déclaré Nicki Viall, physicien solaire au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, et co-auteur de l'étude. "Il s'avère, cette douceur apparente était uniquement due aux limitations de la résolution de notre image."

L'étude

Pour comprendre la couronne, DeForest et ses collègues ont commencé avec des images au coronographe, des images de l'atmosphère du Soleil produites par un télescope spécial qui bloque la lumière de la surface (beaucoup plus lumineuse).

Ces images ont été générées par le coronographe COR2 à bord du Solar and Terrestrial Relations Observatory-A de la NASA, ou STEREO-A, vaisseau spatial, qui fait le tour du Soleil entre la Terre et Vénus.

En avril 2014, STEREO-A passerait bientôt derrière le Soleil, et les scientifiques voulaient obtenir des données intéressantes avant que les communications ne soient brièvement interrompues.

Ils ont donc mené une campagne spéciale de collecte de données de trois jours au cours de laquelle COR2 a pris des expositions de la couronne plus longues et plus fréquentes que d'habitude. Ces longues expositions laissent plus de temps à la lumière provenant de sources faibles pour frapper le détecteur de l'instrument, ce qui lui permet de voir des détails qu'il aurait autrement manqués.

Mais les scientifiques ne voulaient pas seulement des images à exposition plus longue, ils voulaient qu'elles soient d'une résolution plus élevée. Les options étaient limitées. L'instrument était déjà dans l'espace; contrairement à Galileo, ils ne pouvaient pas bricoler le matériel lui-même. Au lieu, ils ont adopté une approche logicielle, extraire les données de la plus haute qualité possible en améliorant le rapport signal/bruit de COR2.

Qu'est-ce que le rapport signal sur bruit ?

Le rapport signal sur bruit est un concept important dans toutes les disciplines scientifiques. Il mesure à quel point vous pouvez distinguer la chose que vous voulez mesurer—le signal—de ce que vous ne faites pas—le bruit.

Par exemple, disons que vous avez la chance d'avoir une excellente audition. Vous remarquez le plus petit des grincements de souris tard dans la nuit; vous pouvez écouter les chuchotements des écoliers blottis à vingt mètres de là. Votre ouïe est impeccable, lorsque le bruit est faible.

Mais c'est un tout autre jeu de balle lorsque vous êtes au premier rang d'un concert de rock. Les autres sons de l'environnement sont tout simplement trop puissants; peu importe à quel point vous écoutez attentivement, grincements et chuchotements de souris (le signal, dans ce cas) ne peut pas couper la musique (le bruit).

Le problème n'est pas votre audition, c'est le faible rapport signal/bruit.

Les coronographes de COR2 sont comme votre ouïe. L'instrument est suffisamment sensible pour imager la couronne dans les moindres détails, mais en pratique, ses mesures sont polluées par le bruit provenant de l'environnement spatial et même du câblage de l'instrument lui-même. L'innovation clé de DeForest et de ses collègues a été d'identifier et de séparer ce bruit, augmentant le rapport signal/bruit et révélant la couronne extérieure avec des détails sans précédent.

L'analyse

Le premier pas vers l'amélioration du rapport signal/bruit avait déjà été franchi :des images à plus longue exposition. Des expositions plus longues permettent plus de lumière dans le détecteur et réduisent le niveau de bruit - l'équipe estime la réduction du bruit par un facteur de 2,4 pour chaque image, et un facteur de 10 en les combinant sur une période de 20 minutes.

Mais les étapes restantes appartenaient à des algorithmes sophistiqués, conçu et testé pour extraire la véritable couronne des mesures bruyantes.

Ils ont filtré la lumière des étoiles d'arrière-plan (qui créent des points lumineux dans l'image qui ne font pas vraiment partie de la couronne). Ils ont corrigé les petites différences (quelques millisecondes) dans la durée d'ouverture de l'obturateur de l'appareil photo. Ils ont supprimé la luminosité de base de toutes les images, et l'a normalisé pour que les régions les plus lumineuses n'effacent pas les plus sombres.

Mais l'un des obstacles les plus difficiles est inhérent à la couronne :le flou de mouvement dû au vent solaire. Pour pallier cette source de bruit, DeForest et ses collègues ont exécuté un algorithme spécial pour lisser leurs images dans le temps.

Lisser dans le temps — avec une torsion

Si vous avez déjà fait une "double prise, " vous savez une chose ou deux sur le lissage dans le temps. Une double prise - un deuxième coup d'œil, pour vérifier votre premier - est juste un moyen low-tech de combiner deux « mesures » prises à des moments différents, en une mesure dans laquelle vous pouvez être plus confiant.

Le lissage dans le temps transforme cette idée en algorithme. Le principe est simple :prendre deux (ou plus) images, les chevaucher, et faire la moyenne de leurs valeurs de pixels ensemble. Les différences aléatoires entre les images finiront par s'annuler, ne laissant derrière eux que ce qui est cohérent entre eux.

Mais quand il s'agit de la couronne, il y a un problème :c'est une dynamique, structure constamment mouvante et changeante. La matière solaire s'éloigne toujours du Soleil pour devenir le vent solaire. Le lissage dans le temps créerait un flou de mouvement, le même type de flou que vous voyez dans les photographies d'objets en mouvement. C'est un problème si votre objectif est de voir les moindres détails.

Pour annuler le flou de mouvement du vent solaire, les scientifiques ont utilisé un nouveau procédé :pendant qu'ils effectuaient leur lissage, ils ont estimé la vitesse du vent solaire et déplacé les images avec lui.

Pour comprendre le fonctionnement de cette approche, pensez à prendre des instantanés de l'autoroute pendant que les voitures passent. Si vous avez simplement superposé vos images, le résultat serait un gros gâchis flou - trop de choses ont changé entre chaque instantané.

Mais si vous pouviez déterminer la vitesse du trafic et déplacer vos images pour suivre, soudain, les détails de voitures spécifiques deviendraient visibles.

Pour DeForest et ses coauteurs, les voitures étaient les structures à petite échelle de la couronne, et le trafic autoroutier était le vent solaire.

Bien sûr, il n'y a pas de panneaux de limitation de vitesse dans la couronne pour vous dire à quelle vitesse les choses bougent. Pour déterminer exactement de combien les images doivent être décalées avant de faire la moyenne, ils ont fait défiler les images pixel par pixel, les corréler les uns aux autres pour calculer à quel point ils étaient similaires. Finalement, ils ont trouvé le bon endroit, où les parties superposées des images étaient aussi similaires que possible. La quantité de décalage correspondait à une vitesse moyenne du vent solaire d'environ 136 miles par seconde. Décaler chaque image de ce montant, ils ont aligné les images et lissé, ou les moyenne ensemble.

"Nous avons lissé, pas seulement dans l'espace, pas seulement à temps, mais dans un système de coordonnées en mouvement, " a déclaré DeForest. " Cela nous a permis de créer un flou de mouvement qui n'était pas déterminé par la vitesse du vent, mais par la rapidité avec laquelle les caractéristiques ont changé dans le vent."

Désormais, DeForest et ses collaborateurs disposaient d'images de haute qualité de la couronne et d'un moyen de dire à quel point elle changeait au fil du temps.

Les résultats

La découverte la plus surprenante n'était pas une structure physique spécifique - c'était la simple présence d'une structure physique en soi.

Par rapport à la dynamique, couronne intérieure turbulente, les scientifiques considéraient que la couronne extérieure était lisse et homogène. Mais cette douceur n'était qu'un artefact d'un mauvais rapport signal/bruit :

« Quand nous avons supprimé le plus de bruit possible, on s'est rendu compte que la couronne est structurée, jusqu'à la résolution optique de l'instrument, " a déclaré DeForest.

Comme les brins d'herbe individuels que vous ne voyez que lorsque vous êtes de près, la structure physique complexe de la couronne a été révélée avec des détails sans précédent. Et parmi ce détail physique, trois conclusions clés sont ressorties.

La structure des streamers coronaires

Les banderoles coronales, également appelées banderoles à casque, parce qu'ils ressemblent au casque pointu d'un chevalier - sont des structures brillantes qui se développent sur les régions du Soleil avec une activité magnétique accrue. Facilement observé lors des éclipses solaires, les boucles magnétiques à la surface du Soleil sont étirées en pointes par le vent solaire et peuvent éclater en éjections de masse coronale, ou CME, les grandes explosions de matière qui éjectent des parties du Soleil dans l'espace environnant.

Le traitement des observations STEREO par DeForest et ses coauteurs révèle que les streamers eux-mêmes sont beaucoup plus structurés qu'on ne le pensait auparavant.

"Ce que nous avons découvert, c'est qu'il n'y a pas de streamer unique, " a déclaré DeForest. " Les banderoles elles-mêmes sont composées d'une myriade de brins fins qui, ensemble, produisent en moyenne un élément plus brillant. "

La zone d'Alfvén

Où finit la couronne et où commence le vent solaire ? Une définition pointe vers la surface d'Alfvén, une limite théorique où le vent solaire commence à se déplacer plus rapidement que les vagues ne peuvent la traverser en arrière. Dans cette région limite, les perturbations qui se produisent à un point plus éloigné de la matière solaire en déplacement ne peuvent jamais reculer assez rapidement pour atteindre le Soleil.

"La matière qui s'écoule au-delà de la surface d'Alfvén est perdue pour le Soleil à jamais, " a déclaré DeForest.

Les physiciens ont longtemps cru que la surface d'Alfvén n'était que cela :une surface, ou couche en forme de feuille où le vent solaire a soudainement atteint une vitesse critique. Mais ce n'est pas ce que DeForest et ses collègues ont trouvé.

"Ce que nous concluons, c'est qu'il n'y a pas de surface d'Alfvén propre, " a déclaré DeForest. "Il y a un large 'no man's land' ou 'zone d'Alfvén' où le vent solaire se déconnecte progressivement du Soleil, plutôt qu'une seule frontière claire."

Les observations révèlent un cadre inégal où, à une distance donnée du Soleil, un peu de plasma se déplace assez rapidement pour arrêter la communication en arrière, et les ruisseaux à proximité ne le sont pas. Les ruisseaux sont assez proches, et assez bien, brouiller la limite naturelle de la surface d'Alfvén pour créer un large, région partiellement déconnectée entre la couronne et le vent solaire.

Un mystère à 10 rayons solaires

Mais l'examen attentif de la structure coronale a également soulevé de nouvelles questions.

La technique utilisée pour estimer la vitesse du vent solaire a localisé les altitudes, ou les distances de la surface du Soleil, où les choses changeaient rapidement. Et c'est alors que l'équipe a remarqué quelque chose de drôle.

"Nous avons trouvé qu'il y a un minimum de corrélation autour de 10 rayons solaires, " a déclaré DeForest.

A une distance de 10 rayons solaires, même les images dos à dos ont cessé de bien correspondre. Mais ils sont redevenus plus similaires à de plus grandes distances, ce qui signifie qu'il ne s'agit pas seulement de s'éloigner du Soleil. C'est comme si les choses changeaient soudainement une fois qu'elles atteignaient 10 rayons solaires.

"Le fait que la corrélation soit plus faible à 10 rayons solaires signifie qu'une physique intéressante se déroule là-bas, " a déclaré DeForest. " Nous ne savons pas encore ce que c'est, mais nous savons que cela va être intéressant."

Où allons-nous d'ici

Les résultats font avancer un débat de longue date sur la source de la complexité du vent solaire. Si les observations STEREO ne règlent pas la question, la méthodologie de l'équipe ouvre un maillon manquant dans la chaîne Soleil-vent solaire.

"Nous voyons toute cette variabilité dans le vent solaire juste avant qu'il n'atteigne la magnétosphère terrestre, et l'un de nos objectifs était de demander s'il était même possible que la variabilité se soit formée au Soleil. Il s'avère que la réponse est oui, " dit Viall.

"Cela nous permet pour la première fois de vraiment sonder la connectivité à travers la couronne et d'ajuster à quel point nous pensons que le champ magnétique s'enchevêtre dans la couronne par rapport au vent solaire, " ajouta DeForest.

Ces premières observations fournissent également des informations clés sur ce que la prochaine sonde solaire Parker de la NASA trouvera, comme la toute première mission à recueillir des mesures à l'intérieur de la couronne solaire externe. Ce vaisseau spatial se rendra à une distance de 8,86 rayons solaires, directement dans la région où l'on peut trouver des choses intéressantes. Les résultats de DeForest et de ses collègues leur permettent de faire des prédictions sur ce que Parker Solar Probe pourrait observer dans cette région.

"Nous devons nous attendre à de fortes fluctuations de densité, fluctuations magnétiques et reconnexion partout, et pas de surface d'Alfvén bien définie, " a déclaré DeForest.

Complété par les mesures in situ de Parker Solar Probe, les algorithmes d'imagerie à longue exposition et de réduction du bruit deviendront encore plus précieux pour notre compréhension de notre étoile la plus proche.