Le vent solaire souffle au-delà de la Terre dans cette illustration. Crédit :Centre de vol spatial Goddard de la NASA/Studio de visualisation scientifique/Greg Shirah
Cet été, l'humanité se lance dans sa première mission pour toucher le Soleil :un vaisseau spatial sera lancé dans l'atmosphère extérieure du Soleil.
Face à des températures de plusieurs millions de degrés Fahrenheit, La sonde solaire Parker de la NASA, du nom d'Eugene Parker, le physicien de l'Université de Chicago, qui a le premier prédit l'existence du vent solaire, échantillonnera directement les particules solaires et les champs magnétiques afin de tenter de résoudre certaines des questions les plus importantes auxquelles le domaine de la science solaire est aujourd'hui confronté. Parmi ces questions :quelle est l'origine du vent solaire et comment est-il accéléré à des vitesses allant jusqu'à 1,8 million de miles par heure ?
Le vent solaire remplit tout notre système solaire. Lorsque des rafales de vent solaire arrivent sur Terre, ils peuvent déclencher des aurores éblouissantes, mais aussi exposer les astronautes à des radiations, interférer avec l'électronique satellite, et perturber les signaux de communication comme le GPS et les ondes radio. Plus nous comprenons les processus fondamentaux qui conduisent le vent solaire, plus nous pouvons atténuer certains de ces effets.
En 1958, Parker a développé une théorie montrant comment la couronne chaude du Soleil, alors connue pour mesurer des millions de degrés Fahrenheit, est si chaude qu'elle surmonte la gravité du Soleil. Selon la théorie, le matériau de la couronne se dilate continuellement vers l'extérieur dans toutes les directions, formant un vent solaire. Un an plus tard, le vaisseau spatial soviétique Luna 1 a détecté des particules de vent solaire dans l'espace, et trois ans plus tard, les observations ont été confirmées par le vaisseau spatial Mariner 2 de la NASA.
Il y a toutes ces années, Mariner 2 a détecté deux flux distincts de vent solaire :un flux lent se déplaçant à environ 215 miles par seconde et un flux rapide traversant l'espace à une vitesse deux fois supérieure. Puis, en 1973, les origines du vent solaire rapide ont été identifiées. Des images aux rayons X de la couronne prises depuis Skylab, la première station spatiale habitée des États-Unis, ont révélé que le vent rapide jaillit des trous coronaux, qui sont sombres, régions relativement fraîches sur le Soleil.
"Le vent solaire lent est, à bien des égards, un plus grand mystère, " a déclaré Jim Klimchuk, physicien solaire au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland. "Cela offre une grande promesse pour révéler une nouvelle compréhension fondamentale."
Des trous coronaux sombres pivotent dans cette image du Soleil sous une lumière ultraviolette extrême. Crédit :NASA/SDO
Les origines et les mécanismes d'accélération du vent solaire lent restent mystérieux. Il s'agit d'un débat acharné qui dure depuis des décennies entre scientifiques.
Mais nous ne sommes pas sans indices. la mission Ulysse de la NASA, lancé en 1990 pour voler autour des pôles du Soleil, observé que pendant les périodes d'activité solaire minimale, le vent solaire lent est confiné à l'équateur du Soleil, là où la sonde solaire Parker volera. Au fur et à mesure que le cycle solaire progresse vers son maximum, la structure du vent solaire passe de deux régimes distincts - rapide aux pôles et lent à l'équateur - à un régime mixte, flux inhomogène.
Le débat sur les origines du vent solaire lent repose sur une distinction entre ce que l'on appelle la couronne fermée et la couronne ouverte. La couronne fermée fait référence aux régions du Soleil où ses lignes de champ magnétique sont fermées, c'est-à-dire relié à la surface solaire aux deux extrémités. Banderoles de casque lumineuses - de grandes boucles qui se forment sur des régions magnétiquement actives, en forme de casque pointu de chevalier - en sont un exemple. Le plasma, ou gaz ionisé, voyager le long des boucles fermées d'un streamer casque est pour la plupart confiné à la zone proche du Soleil.
La couronne ouverte, d'autre part, fait référence aux régions où les lignes de champ magnétique s'ancrent au Soleil à une seule extrémité, s'étendant dans l'espace de l'autre, créant ainsi une autoroute permettant à la matière solaire de s'échapper dans l'espace. Les trous coronaux - les régions les plus froides à la source du vent solaire rapide - sont l'habitat des lignes de champ ouvertes.
Au moment où le vent solaire lent quitte la couronne solaire, il s'écoule également sur des lignes de champ magnétique ouvertes, car c'est le seul moyen de s'éloigner si loin du Soleil. Mais les théories diffèrent quant à savoir si cela a commencé là-bas, ou est plutôt né sur des lignes de champ fermées pour passer à des lignes de champ ouvertes quelque part en cours de route.
La théorie du facteur d'expansion, par exemple, prétend que le vent solaire lent provient des lignes de champ ouvertes, tout comme le vent rapide. Sa vitesse (comparativement) lente résulte du chemin en expansion qu'il emprunte pour sortir de la couronne, car les lignes de champ magnétique bordent les bordures des banderoles de casque. Tout comme l'eau qui coule dans un tuyau ralentit à un filet à mesure que le tuyau se dilate, le plasma circulant le long de ces chemins magnétiques qui s'élargissent ralentit, formant le vent lent.
Les lignes de champ magnétique fermées retournent au soleil pour former des banderoles de casque, entouré de lignes de champ ouvertes qui s'étendent dans l'espace, comme le montre cette illustration. Crédit :Goddard Space Flight Center de la NASA/Lisa Poje/Genna Duberstein
D'autres théories prétendent que le vent solaire lent provient de lignes de champ fermées et passe plus tard à des lignes de champ ouvertes. Par conséquent, le vent lent se forme lorsque les lignes de champ ouvertes des trous coronaux se heurtent aux lignes de champ fermées sur les bords des banderoles du casque, se recâblant de manière explosive dans un événement appelé reconnexion magnétique. Comme un train qui change de voie après que l'opérateur ait actionné un interrupteur, le plasma anciennement sur les lignes de champ fermé du streamer se retrouve soudain sur une ligne de champ ouvert, où il peut s'échapper dans l'espace.
L'idée que le plasma du vent solaire lent était autrefois sur des lignes de champ fermées est étayée par des preuves qu'il a déjà été confronté aux types de chauffage extrême que nous savons s'y produire.
« Il ne s'agit pas de la température du plasma lorsque nous la mesurons ; il s'agit de l'historique de la température de ce plasma, " a déclaré Aleida Higginson, un chercheur de l'Université du Michigan travaillant à Goddard. "Nous pouvons dire que le vent solaire lent était beaucoup plus chaud dans le passé." En outre, le mélange particulier d'éléments qui composent le vent solaire lent correspond bien à ceux observés dans la couronne fermée, mais pas avec le plasma dont nous savons qu'il a toujours été sur des lignes de champ ouvertes.
Les efforts actuels pour tester ces théories par des engins spatiaux près de la Terre sont contrecarrés par la grande distance entre leurs mesures et les origines du vent solaire (beaucoup de choses peuvent se produire sur 93 millions de miles). La clé se rapproche, remonter le vent solaire jusqu'à sa source, et c'est exactement ce que fera Parker Solar Probe.
"Si nous pouvons mesurer le vent solaire lent, et trouver qu'il vient de la frontière entre les champs magnétiques ouverts et fermés, alors cela soutient l'idée que la reconnexion magnétique donne naissance au vent solaire lent, " a déclaré Klimchuk.
Les instruments de Parker Solar Probe recueilleront en aval des preuves de reconnexion magnétique, un signe révélateur que la théorie du champ fermé à champ ouvert est en jeu. Des types spécifiques de reconnexion tordent le champ magnétique résultant de différentes manières, et les instruments de Parker mesureront très tôt les rebondissements dans ces domaines, avant qu'ils aient eu beaucoup de temps pour être déformés. En outre, des images rapprochées du vent solaire naissant nous diront comment les structures coronales évoluent à mesure qu'elles se propagent vers l'extérieur. Cela nous aidera à répondre à une question de longue date de savoir si le vent solaire est un flux continu ou intermittent.
Pour les scientifiques qui ont soif de données pour tester leurs théories, des mesures précises des champs magnétiques de la couronne solaire seront inestimables. "C'est pourquoi la mission de Parker est si importante, " a déclaré Higginson. " Tout remonte à la compréhension de la structure magnétique détaillée du Soleil. "
