Pendant cinq mois à la mi 2017, Emily Mason faisait la même chose tous les jours. En arrivant à son bureau au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, elle s'est assise à son bureau, a ouvert son ordinateur, et regarda des images du Soleil - toute la journée, tous les jours. "J'ai probablement parcouru trois ou cinq ans de données, " Estimait Mason. Puis, en octobre 2017, elle s'est arrêté. Elle réalisa qu'elle avait regardé la mauvaise chose depuis le début.

Le maçon, un étudiant diplômé de l'Université catholique d'Amérique à Washington, D.C., cherchait la pluie coronale :des boules géantes de plasma, ou gaz électrifié, qui s'égouttent de l'atmosphère extérieure du Soleil vers sa surface. Mais elle s'attendait à le trouver dans les banderoles de casque, les boucles magnétiques hautes d'un million de milles, du nom de leur ressemblance avec le casque pointu d'un chevalier, que l'on peut voir dépasser du soleil lors d'une éclipse solaire. Des simulations informatiques ont prédit que la pluie coronale pourrait y être trouvée. Observations du vent solaire, le gaz s'échappant du Soleil vers l'espace, a laissé entendre que la pluie pourrait arriver. Et si elle pouvait juste le trouver, la physique sous-jacente de la production de pluie aurait des implications majeures pour le mystère vieux de 70 ans expliquant pourquoi l'atmosphère extérieure du Soleil, connu sous le nom de couronne, est tellement plus chaude que sa surface. Mais après presque six mois de recherche, Mason n'a tout simplement pas pu le trouver. "C'était beaucoup de recherche, " Mason a dit, "pour quelque chose qui n'est finalement jamais arrivé."

Le problème, il s'est avéré, n'était pas ce qu'elle cherchait, mais où. Dans un article publié aujourd'hui dans le Lettres de revues astrophysiques , Mason et ses coauteurs décrivent les premières observations de pluie coronale dans un sorte de boucle magnétique auparavant négligée sur le Soleil. Après une longue, recherche sinueuse dans le mauvais sens, les découvertes forgent un nouveau lien entre le chauffage anormal de la couronne et la source du vent solaire lent, deux des plus grands mystères auxquels la science solaire est confrontée aujourd'hui.

Comment il pleut sur le soleil

Observé à travers les télescopes à haute résolution montés sur le vaisseau spatial SDO de la NASA, le Soleil, une boule de plasma brûlante, grouillant de lignes de champ magnétique tracées par des géants, boucles ardentes - semble avoir peu de similitudes physiques avec la Terre. Mais notre planète natale fournit quelques guides utiles pour analyser le tumulte chaotique du Soleil :parmi eux, pluie.

Sur Terre, la pluie n'est qu'une partie du plus grand cycle de l'eau, un bras de fer sans fin entre la poussée de chaleur et l'attraction de la gravité. Il commence lorsque l'eau liquide, mis en commun à la surface de la planète dans les océans, des lacs, ou des ruisseaux, est chauffé par le Soleil. Une partie s'évapore et monte dans l'atmosphère, où il se refroidit et se condense en nuages. Finalement, ces nuages ​​deviennent suffisamment lourds pour que l'attraction de la gravité devienne irrésistible et que l'eau retombe sur Terre sous forme de pluie, avant que le processus ne recommence.

Au Soleil, Mason a dit, la pluie coronale fonctionne de la même manière, "mais au lieu d'une eau à 60 degrés, vous avez affaire à un plasma à un million de degrés." Plasma, un gaz chargé électriquement, ne s'accumule pas comme l'eau, mais trace plutôt les boucles magnétiques qui émergent de la surface du Soleil comme des montagnes russes sur des rails. Aux points de pied de la boucle, où il se fixe à la surface du Soleil, le plasma est surchauffé de quelques milliers à plus de 1,8 million de degrés Fahrenheit. Il élargit ensuite la boucle et se rassemble à son apogée, loin de la source de chaleur. Lorsque le plasma se refroidit, il se condense et la gravité l'attire le long des jambes de la boucle sous forme de pluie coronale.

Mason cherchait de la pluie coronale dans les banderoles de casque, mais sa motivation à chercher là-bas avait plus à voir avec ce cycle de chauffage et de refroidissement sous-jacent que la pluie elle-même. Depuis au moins le milieu des années 90, les scientifiques savent que les banderoles de casque sont l'une des sources du vent solaire lent, un relativement lent, flux dense de gaz qui s'échappe du Soleil séparément de son homologue en mouvement rapide. Mais les mesures du gaz du vent solaire lent ont révélé qu'il avait déjà été chauffé à un degré extrême avant de se refroidir et de s'échapper du Soleil. Le processus cyclique de chauffage et de refroidissement derrière la pluie coronale, si cela se passait à l'intérieur des banderoles du casque, serait une pièce du puzzle.

L'autre raison est liée au problème de chauffage coronal – le mystère de comment et pourquoi l'atmosphère extérieure du Soleil est environ 300 fois plus chaude que sa surface. Étonnamment, des simulations ont montré que la pluie coronale ne se forme que lorsque de la chaleur est appliquée tout au bas de la boucle. "Si une boucle a de la pluie coronale dessus, cela signifie que les 10 % inférieurs, ou moins, c'est là que se produit le chauffage coronal, " a déclaré Mason. Les boucles de pluie fournissent une tige de mesure, un point de coupure pour déterminer où la couronne est chauffée. Commencer leur recherche dans les plus grandes boucles qu'ils ont pu trouver - des banderoles de casque géantes - semblait être un objectif modeste, et un qui maximiserait leurs chances de succès.

Elle avait les meilleures données pour le travail :des images prises par l'observatoire de la dynamique solaire de la NASA, ou SDO, un vaisseau spatial qui a photographié le Soleil toutes les douze secondes depuis son lancement en 2010. Mais près de six mois après le début des recherches, Mason n'avait toujours pas observé une seule goutte de pluie dans une banderole de casque. Elle avait, cependant, remarqué une multitude de minuscules structures magnétiques, ceux qu'elle ne connaissait pas. "Ils étaient vraiment brillants et ils n'arrêtaient pas d'attirer mon attention, " dit Mason. " Quand je les ai finalement regardés, bien sûr, ils ont eu des dizaines d'heures de pluie à la fois."

En premier, Mason était tellement concentré sur sa quête de streamer de casque qu'elle n'a rien fait des observations. "Elle est venue à la réunion de groupe et a dit, "Je ne l'ai jamais trouvé, je le vois tout le temps dans ces autres structures, mais ce ne sont pas des banderoles de casque, '", a déclaré Nicholeen Viall, un scientifique solaire à Goddard, et co-auteur de l'article. "Et j'ai dit, 'Attendez. Où le vois-tu? Je pense que personne n'a jamais vu ça avant !'"

Une tige de mesure pour le chauffage

Ces structures différaient des banderoles de casque de plusieurs manières. Mais la chose la plus frappante à leur sujet était leur taille.

"Ces boucles étaient beaucoup plus petites que ce que nous recherchions, " dit Spiro Antiochos, qui est également physicien solaire à Goddard et co-auteur de l'article. "Cela vous dit donc que le chauffage de la couronne est beaucoup plus localisé que nous ne le pensions."

Bien que les résultats ne disent pas exactement comment la couronne est chauffée, « ils abaissent le sol de l'endroit où le chauffage coronal pourrait se produire, " a déclaré Mason. Elle avait trouvé des boucles de pluie qui étaient une trentaine, 000 milles de haut, à peine deux pour cent de la hauteur de certaines des banderoles de casque qu'elle recherchait à l'origine. Et la pluie condense la région où le chauffage coronal clé peut se produire. "Nous ne savons toujours pas exactement ce qui chauffe la couronne, mais nous savons que cela doit se produire dans cette couche, " dit Mason.

Une nouvelle source pour le vent solaire lent

Mais une partie des observations ne correspondait pas aux théories précédentes. Selon la compréhension actuelle, la pluie coronale ne se forme que sur les boucles fermées, où le plasma peut se rassembler et se refroidir sans aucun moyen de s'échapper. Mais alors que Mason passait au crible les données, elle a trouvé des cas où la pluie se formait sur des lignes de champ magnétique ouvertes. Ancré au Soleil à une seule extrémité, l'autre extrémité de ces lignes de champ ouvert déversées dans l'espace, et le plasma pourrait s'échapper dans le vent solaire. Pour expliquer l'anomalie, Mason et son équipe ont développé une explication alternative, celle qui reliait la pluie sur ces minuscules structures magnétiques aux origines du vent solaire lent.

Dans la nouvelle explication, le plasma qui pleut commence son voyage en boucle fermée, mais passe, via un processus connu sous le nom de reconnexion magnétique, à une connexion ouverte. Le phénomène se produit fréquemment sur le Soleil, lorsqu'une boucle fermée se heurte à une ligne de champ ouverte et que le système se recâble lui-même. Soudainement, le plasma surchauffé sur la boucle fermée se retrouve sur une ligne de champ ouvert, comme un train qui a changé de voie. Une partie de ce plasma se dilatera rapidement, refroidir, et retomber vers le Soleil sous forme de pluie coronale. Mais d'autres parties s'en échapperont—formant, ils soupçonnent, une partie du vent solaire lent.

Mason travaille actuellement sur une simulation informatique de la nouvelle explication, mais elle espère également que les preuves d'observation à venir pourraient le confirmer. Maintenant que Parker Solar Probe, lancé en 2018, voyage plus près du Soleil que tout autre vaisseau spatial avant lui, il peut voler à travers des rafales de vent solaire lent qui remontent au Soleil - potentiellement, à l'un des événements de pluie coronale de Mason. Après avoir observé la pluie coronale sur une ligne de champ ouvert, le plasma sortant, échapper au vent solaire, serait normalement perdu pour la postérité. Mais plus maintenant. « Nous pouvons potentiellement établir ce lien avec Parker Solar Probe et dire :c'était ça, " dit Viall.

Fouiller dans les données

Quant à trouver de la pluie coronale dans les banderoles de casque? La recherche continue. Les simulations sont claires :la pluie devrait être là. « Peut-être qu'il est si petit que vous ne pouvez pas le voir ? » dit Antiochos. "Nous ne savons vraiment pas."

Mais encore une fois, si Mason avait trouvé ce qu'elle cherchait, elle n'aurait peut-être pas fait la découverte ou aurait passé tout ce temps à apprendre les tenants et les aboutissants des données solaires.

"Cela ressemble à une corvée, mais honnêtement c'est mon truc préféré, " a déclaré Mason. " Je veux dire, c'est pourquoi nous avons construit quelque chose qui prend autant d'images du Soleil :afin que nous puissions les regarder et le comprendre. "