Quelque chose de mystérieux se passe au Soleil. Au mépris de toute logique, son atmosphère devient beaucoup, d'autant plus chaude qu'elle s'éloigne de la surface ardente du Soleil.

Les températures dans la couronne - la ténue, couche la plus externe de l'atmosphère solaire - pointe de plus de 2 millions de degrés Fahrenheit, alors que seulement 1, 000 milles plus bas, la surface sous-jacente mijote à un doux 10, 000 F. Comment le Soleil gère cet exploit reste l'une des plus grandes questions sans réponse en astrophysique; les scientifiques l'appellent le problème de chauffage coronal. Un nouveau, mission historique, La sonde solaire Parker de la NASA, dont le lancement est prévu au plus tôt le 11 août 2018 - volera à travers la couronne elle-même, cherchant des indices sur son comportement et offrant la chance aux scientifiques de résoudre ce mystère.

Depuis la terre, comme nous le voyons en lumière visible, l'apparence du Soleil - calme, immuable - dément la vie et le drame de notre étoile la plus proche. Sa surface turbulente est bercée par des éruptions et des rafales intenses de rayonnement, qui projettent de la matière solaire à des vitesses incroyables dans tous les coins du système solaire. Cette activité solaire peut déclencher des événements météorologiques spatiaux susceptibles de perturber les communications radio, nuire aux satellites et aux astronautes, et à leur plus sévère, interférer avec les réseaux électriques.

Au dessus de la surface, la couronne s'étend sur des millions de kilomètres et roule de plasma, les gaz ont tellement surchauffé qu'ils se séparent en un flux électrique d'ions et d'électrons libres. Finalement, il continue vers l'extérieur comme le vent solaire, un flux supersonique de plasma imprégnant tout le système solaire. Et donc, c'est que les humains vivent bien dans l'atmosphère étendue de notre Soleil. Comprendre pleinement la couronne et tous ses secrets, c'est comprendre non seulement l'étoile qui alimente la vie sur Terre, mais aussi, l'espace même qui nous entoure.

Un mystère vieux de 150 ans

La plupart de ce que nous savons sur la couronne est profondément enraciné dans l'histoire des éclipses solaires totales. Avant les instruments sophistiqués et les engins spatiaux, la seule façon d'étudier la couronne depuis la Terre était pendant une éclipse totale, quand la Lune bloque le visage brillant du Soleil, révélant l'environnement, gradateur corona.

L'histoire du problème de chauffage coronal commence avec une raie spectrale verte observée lors d'une éclipse totale de 1869. Parce que différents éléments émettent de la lumière à des longueurs d'onde caractéristiques, les scientifiques peuvent utiliser des spectromètres pour analyser la lumière du Soleil et identifier sa composition. Mais la ligne verte observée en 1869 ne correspondait à aucun élément connu sur Terre. Les scientifiques pensaient qu'ils avaient peut-être découvert un nouvel élément, et ils l'ont appelé coronium.

Ce n'est que 70 ans plus tard qu'un physicien suédois a découvert que l'élément responsable de l'émission est le fer, surchauffé au point d'être ionisé 13 fois, le laissant avec seulement la moitié des électrons d'un atome de fer normal. Et c'est là que réside le problème :les scientifiques ont calculé que des niveaux d'ionisation aussi élevés nécessiteraient des températures coronales d'environ 2 millions de degrés Fahrenheit, soit près de 200 fois plus chaudes que la surface.

Depuis des décennies, cette ligne verte d'une simplicité trompeuse a été la Joconde de la science solaire, déroutant les scientifiques qui ne peuvent expliquer son existence. Depuis l'identification de sa source, nous avons fini par comprendre que le puzzle est encore plus complexe qu'il n'y paraissait.

"Je considère le problème de chauffage coronal comme un parapluie qui couvre quelques problèmes déroutants connexes, " a déclaré Justin Kasper, un scientifique de l'espace à l'Université du Michigan à Ann Arbor. Kasper est également chercheur principal pour SWEAP, abréviation de Solar Wind Electrons Alphas and Protons Investigation, une suite d'instruments à bord de Parker Solar Probe. "D'abord, comment la couronne devient-elle si chaude si rapidement ? Mais la deuxième partie du problème est qu'il ne fait pas que commencer, ça continue. Et non seulement le chauffage continue, mais différents éléments sont chauffés à des vitesses différentes. » C'est un indice intrigant de ce qui se passe avec le chauffage au soleil.

Depuis la découverte de la couronne chaude, les scientifiques et les ingénieurs ont fait beaucoup de travail pour comprendre son comportement. Ils ont développé des modèles et des instruments puissants et lancé des vaisseaux spatiaux qui surveillent le Soleil 24 heures sur 24. Mais même les modèles les plus complexes et les observations à haute résolution ne peuvent expliquer que partiellement le chauffage coronal, et certaines théories se contredisent. Il y a aussi le problème d'étudier la couronne de loin.

Nous pouvons vivre dans l'atmosphère expansive du Soleil, mais la couronne et le plasma solaire dans l'espace proche de la Terre diffèrent considérablement. Il faut environ quatre jours au vent solaire lent pour parcourir 150 millions de kilomètres et atteindre la Terre ou le vaisseau spatial qui l'étudie.

Étudier cette soupe homogène de plasma pour trouver des indices sur le chauffage coronal, c'est comme essayer d'étudier la géologie d'une montagne, en passant au crible les sédiments d'un delta de rivière à des milliers de kilomètres en aval. En voyageant vers la couronne, Parker Solar Probe échantillonnera les particules juste chauffées, supprimant les incertitudes d'un voyage de 93 millions de kilomètres et renvoyant sur Terre les mesures les plus vierges de la couronne jamais enregistrées.

"Tout notre travail au fil des ans a abouti à ce point :nous avons réalisé que nous ne pourrons jamais résoudre complètement le problème de chauffage coronal tant que nous n'enverrons pas une sonde pour effectuer des mesures dans la couronne elle-même, " a déclaré Nour Raouafi, Parker Solar Probe scientifique adjoint du projet et physicien solaire au laboratoire de physique appliquée de l'Université Johns Hopkins à Laurel, Maryland.

Voyager vers le Soleil est une idée plus ancienne que la NASA elle-même, mais il a fallu des décennies pour concevoir la technologie qui rend son voyage possible. À l'époque, les scientifiques ont déterminé exactement de quels types de données - et d'instruments correspondants - ils ont besoin pour compléter une image de la couronne et répondre à cette ultime question brûlante.

Expliquer les secrets de la couronne

Parker Solar Probe testera deux théories principales pour expliquer le chauffage coronal. Les couches externes du Soleil sont constamment en ébullition et bouillonnent d'énergie mécanique. Alors que d'énormes cellules de plasma chargé traversent le Soleil, de la même manière que des bulles distinctes s'enroulent dans une casserole d'eau bouillante, leur mouvement fluide génère des champs magnétiques complexes qui s'étendent loin dans la couronne. En quelque sorte, les champs enchevêtrés canalisent cette énergie féroce dans la couronne sous forme de chaleur - comment ils le font, c'est ce que chaque théorie tente d'expliquer.

Une théorie propose que les ondes électromagnétiques soient à l'origine de la chaleur extrême de la couronne. Peut-être que ce mouvement d'ébullition lance des ondes magnétiques d'une certaine fréquence - appelées ondes d'Alfvén - des profondeurs du Soleil vers la couronne, qui envoient des particules chargées en rotation et chauffent l'atmosphère, un peu comme la façon dont les vagues de l'océan poussent et accélèrent les surfeurs vers le rivage.

Un autre suggère des explosions semblables à des bombes, appelés nanoflares, à travers la surface du Soleil déversent de la chaleur dans l'atmosphère solaire. Comme leurs homologues plus grands, éruptions solaires, On pense que les nanoflares résultent d'un processus explosif appelé reconnexion magnétique. L'ébullition turbulente sur le Soleil tord et contorsionne les lignes de champ magnétique, accumulant du stress et de la tension jusqu'à ce qu'ils se cassent de manière explosive, comme pour briser un élastique enroulé, accélérant et chauffant les particules dans leur sillage.

Les deux théories ne sont pas nécessairement mutuellement exclusives. En réalité, pour compliquer les choses, de nombreux scientifiques pensent que les deux peuvent être impliqués dans le chauffage de la couronne. Parfois, par exemple, la reconnexion magnétique qui déclenche une nanoflare pourrait également lancer des ondes d'Alfvén, qui chauffe ensuite davantage le plasma environnant.

L'autre grande question est, à quelle fréquence ces processus se produisent-ils, de manière constante ou par rafales distinctes ? Répondre à cela nécessite un niveau de détail que nous n'avons pas à 93 millions de kilomètres.

"On s'approche du chauffage, et il y a des moments où Parker Solar Probe va co-tourner, ou en orbite autour du Soleil à la même vitesse que le Soleil lui-même tourne, " a déclaré Eric Christian, un scientifique de l'espace au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, et membre de l'équipe scientifique de la mission. "C'est une partie importante de la science. En survolant le même endroit, nous verrons l'évolution du chauffage."

Découvrir les preuves

Une fois que Parker Solar Probe arrive à la couronne, Comment cela aidera-t-il les scientifiques à distinguer si les ondes ou les nanoflares provoquent le chauffage ? Alors que le vaisseau spatial transporte quatre suites d'instruments pour une variété de types de recherche, deux en particulier obtiendront des données utiles pour résoudre le mystère du chauffage coronal :l'expérience FIELDS et SWEAP.

Arpenteur des forces invisibles, DES CHAMPS, dirigé par l'Université de Californie, Berkeley, mesure directement les champs électriques et magnétiques, pour comprendre les chocs, les vagues et les événements de reconnexion magnétique qui chauffent le vent solaire.

SWEAP—dirigé par le Harvard-Smithsonian Astrophysical Observatory à Cambridge, Massachusetts—est la moitié complémentaire de l'enquête, recueillir des données sur le plasma chaud lui-même. Il compte les particules les plus abondantes dans le vent solaire :les électrons, protons et ions hélium et mesure leur température, à quelle vitesse ils se déplacent après avoir été chauffés, et dans quel sens.

Ensemble, les deux suites d'instruments brossent un tableau des champs électromagnétiques supposés être responsables du chauffage, ainsi que les particules solaires tout juste chauffées tourbillonnant à travers la couronne. La clé de leur succès réside dans les mesures à haute résolution, capable de résoudre les interactions entre les ondes et les particules en quelques fractions de seconde.

Parker Solar Probe plongera à moins de 3,9 millions de miles de la surface du Soleil et bien que cette distance puisse sembler grande, le vaisseau spatial est bien placé pour détecter les signatures de chauffage coronal. "Même si les événements de reconnexion magnétique ont lieu plus bas près de la surface du Soleil, le vaisseau spatial verra le plasma juste après leur apparition, " a déclaré la scientifique solaire Goddard Nicholeen Viall. "Nous avons une chance de coller notre thermomètre directement dans la couronne et de regarder la température augmenter. Comparez cela à l'étude du plasma qui a été chauffé il y a quatre jours depuis la Terre, où une grande partie des structures 3D et des informations sensibles au temps sont effacées."

Cette partie de la couronne est un territoire entièrement inexploré, et les scientifiques s'attendent à des vues différentes de tout ce qu'ils ont vu auparavant. Certains pensent que le plasma y sera vaporeux et ténu, comme des cirrus. Ou peut-être qu'il apparaîtra comme des structures massives ressemblant à des cure-pipes rayonnant du Soleil.

« Je suis presque sûr que lorsque nous aurons récupéré cette première série de données, nous verrons que le vent solaire à basse altitude près du Soleil est hérissé et impulsif, " dit Stuart Bale, Université de Californie, Berkeley, astrophysicien et chercheur principal de FIELDS. "Je mettrais mon argent sur les données étant beaucoup plus excitantes que ce que nous voyons près de la Terre."

Les données sont suffisamment compliquées - et proviennent de plusieurs instruments - qu'il faudra un certain temps aux scientifiques pour trouver une explication au chauffage coronal. Et parce que la surface du Soleil n'est pas lisse et varie partout, Parker Solar Probe doit effectuer plusieurs passages au-dessus du Soleil pour raconter toute l'histoire. Mais les scientifiques sont convaincus qu'il dispose des outils nécessaires pour répondre à leurs questions.

L'idée de base est que chaque mécanisme de chauffage proposé a sa propre signature distincte. Si les ondes d'Alfvén sont à l'origine de la chaleur extrême de la couronne, FIELDS détectera leur activité. Étant donné que les ions plus lourds sont chauffés à des vitesses différentes, il semble que différentes classes de particules interagissent avec ces ondes de manières spécifiques; SWEAP caractérisera leurs interactions uniques.

Si les nanoflares sont responsables, les scientifiques s'attendent à voir des jets de particules accélérées jaillir dans des directions opposées, un signe révélateur d'une reconnexion magnétique explosive. En cas de reconnexion magnétique, ils devraient également détecter les points chauds où les champs magnétiques changent rapidement et chauffent le plasma environnant.

Les découvertes s'annoncent

Il y a un enthousiasme et une excitation parmi les scientifiques solaires :la mission de Parker Solar Probe marque un tournant dans l'histoire de l'astrophysique, et ils ont une réelle chance de percer les mystères qui ont confondu leur domaine depuis près de 150 ans.

En rassemblant les rouages ​​internes de la couronne, les scientifiques atteindront une meilleure compréhension de la dynamique qui déclenche les événements météorologiques spatiaux, conditions de mise en forme dans l'espace proche de la Terre. Mais les applications de cette science s'étendent également au-delà du système solaire. Le Soleil ouvre une fenêtre sur la compréhension d'autres étoiles, en particulier celles qui présentent également un chauffage semblable au Soleil, des étoiles qui pourraient potentiellement favoriser des environnements habitables, mais qui sont trop éloignées pour être étudiées. Et éclairer la physique fondamentale des plasmas pourrait probablement en apprendre beaucoup aux scientifiques sur le comportement des plasmas ailleurs dans l'univers, comme dans les amas de galaxies ou autour des trous noirs.

Il est également tout à fait possible que nous n'ayons même pas imaginé les plus grandes découvertes à venir. Il est difficile de prédire comment la résolution du chauffage coronal modifiera notre compréhension de l'espace qui nous entoure, mais des découvertes fondamentales comme celle-ci ont la capacité de changer à jamais la science et la technologie. Le voyage de Parker Solar Probe emmène la curiosité humaine dans une région inédite du système solaire, où chaque observation est une découverte potentielle.

"Je suis presque certain que nous découvrirons de nouveaux phénomènes dont nous ne savons rien maintenant, et c'est très excitant pour nous, ", a déclaré Raouafi. "Parker Solar Probe entrera dans l'histoire en nous aidant à comprendre le chauffage coronal, ainsi que l'accélération du vent solaire et les particules énergétiques solaires, mais je pense qu'il a également le potentiel d'orienter l'avenir de la physique solaire."