Une équipe de scientifiques a, pour la première fois, utilisé un seul, modèle informatique cohérent pour simuler l'ensemble du cycle de vie d'une éruption solaire :de l'accumulation d'énergie à des milliers de kilomètres sous la surface solaire, à l'émergence de lignes de champ magnétique enchevêtrées, à la libération explosive d'énergie en un éclair brillant.

L'accomplissement, détaillé dans le journal Astronomie de la nature , prépare le terrain pour les futurs modèles solaires afin de simuler de manière réaliste le temps du Soleil tel qu'il se déroule en temps réel, y compris l'apparition de taches solaires agitées, qui produisent parfois des poussées et des éjections de masse coronale. Ces éruptions peuvent avoir des impacts étendus sur Terre, de perturber les réseaux électriques et les réseaux de communication, à endommager les satellites et à mettre en danger les astronautes.

Des scientifiques du National Center for Atmospheric Research (NCAR) et du Lockheed Martin Solar and Astrophysics Laboratory ont dirigé la recherche. La nouvelle simulation complète capture la formation d'une éruption solaire d'une manière plus réaliste que les efforts précédents, et il inclut le spectre des émissions lumineuses connues pour être associées aux fusées éclairantes.

"Ce travail nous permet d'expliquer pourquoi les fusées éclairantes ressemblent à ce qu'elles sont, pas seulement à une seule longueur d'onde, mais dans les longueurs d'onde visibles, dans les longueurs d'onde ultraviolettes et ultraviolettes extrêmes, et en rayons X, " a déclaré Mark Cheung, physicien au Lockheed Martin Solar and Astrophysics Laboratory et chercheur invité à l'Université de Stanford. "Nous expliquons les nombreuses couleurs des éruptions solaires."

La recherche a été financée en grande partie par la NASA et par la National Science Foundation, qui est le sponsor de NCAR.

Combler les échelles

Pour la nouvelle étude, les scientifiques ont dû construire un modèle solaire qui pourrait s'étendre sur plusieurs régions du Soleil, capter le comportement physique complexe et unique de chacun.

Le modèle résultant commence dans la partie supérieure de la zone de convection—environ 10, 000 kilomètres sous la surface du Soleil — s'élève à travers la surface solaire, et pousse 40, 000 kilomètres dans l'atmosphère solaire, connu sous le nom de couronne. Les différences de densité de gaz, pression, et d'autres caractéristiques du Soleil représentées à travers le modèle sont vastes.

Pour simuler avec succès une éruption solaire de l'émergence à la libération d'énergie, les scientifiques devaient ajouter des équations détaillées au modèle qui pourraient permettre à chaque région de contribuer à l'évolution des éruptions solaires de manière réaliste. Mais ils devaient également faire attention à ne pas rendre le modèle si compliqué qu'il ne serait plus pratique de l'exécuter avec les ressources de supercalcul disponibles.

"Nous avons un modèle qui couvre un large éventail de conditions physiques, ce qui le rend très difficile, " a déclaré Matthias Rempel, scientifique du NCAR. " Ce genre de réalisme nécessite des solutions innovantes. "

Pour relever les défis, Rempel a emprunté une technique mathématique historiquement utilisée par les chercheurs étudiant les magnétosphères de la Terre et d'autres planètes. La technique, qui a permis aux scientifiques de compresser la différence d'échelles de temps entre les couches sans perdre en précision, a permis à l'équipe de recherche de créer un modèle à la fois réaliste et efficace sur le plan informatique.

L'étape suivante consistait à mettre en place un scénario sur le Soleil simulé. Dans des recherches antérieures utilisant des modèles moins complexes, les scientifiques ont dû initier les modèles presque au moment où l'éruption éclaterait pour pouvoir former une éruption.

Dans la nouvelle étude, l'équipe voulait voir si leur modèle pouvait générer une éruption par lui-même. Ils ont commencé par mettre en place un scénario avec des conditions inspirées d'une tache solaire particulièrement active observée en mars 2014. La tache solaire réelle a engendré des dizaines d'éruptions pendant le temps qu'elle était visible, dont une classe X très puissante et trois fusées éclairantes de classe M modérément puissantes. Les scientifiques n'ont pas essayé d'imiter avec précision la tache solaire de 2014; au lieu de cela, ils se rapprochaient à peu près des mêmes ingrédients solaires qui étaient présents à l'époque - et qui étaient si efficaces pour produire des éruptions.

Puis ils ont laissé le modèle partir, regarder pour voir s'il générerait une fusée de lui-même.

"Notre modèle a pu capturer l'ensemble du processus, de l'accumulation d'énergie à l'émergence à la surface à la montée dans la couronne, dynamiser la couronne, puis arriver au point où l'énergie est libérée dans une éruption solaire, " dit Rempel.

Maintenant que le modèle a montré qu'il est capable de simuler de manière réaliste l'ensemble du cycle de vie d'une torche, les scientifiques vont le tester avec des observations du Soleil dans le monde réel et voir s'il peut simuler avec succès ce qui se passe réellement sur la surface solaire.

"Il s'agissait d'une simulation autonome inspirée des données observées, " a déclaré Rempel. " La prochaine étape consiste à saisir directement les données observées dans le modèle et à le laisser piloter ce qui se passe. C'est un moyen important de valider le modèle, et le modèle peut également nous aider à mieux comprendre ce que nous observons sur le Soleil."