En août 2018, La sonde solaire Parker de la NASA lancée dans l'espace, devenant bientôt le vaisseau spatial le plus proche du Soleil. Avec des instruments scientifiques de pointe pour mesurer l'environnement autour de l'engin spatial, Parker Solar Probe a effectué trois des 24 passages prévus à travers des parties jamais explorées de l'atmosphère du Soleil, la couronne. Le 4 décembre, 2019, quatre nouveaux articles dans la revue La nature décrivez ce que les scientifiques ont appris de cette exploration sans précédent de notre étoile et ce qu'ils ont hâte d'apprendre par la suite.

Ces découvertes révèlent de nouvelles informations sur le comportement du matériau et des particules qui s'éloignent du Soleil, rapprocher les scientifiques de la réponse à des questions fondamentales sur la physique de notre étoile. Dans la quête pour protéger les astronautes et la technologie dans l'espace, les informations que Parker a découvertes sur la façon dont le Soleil éjecte constamment de la matière et de l'énergie aideront les scientifiques à réécrire les modèles que nous utilisons pour comprendre et prédire la météo spatiale autour de notre planète et comprendre le processus par lequel les étoiles sont créées et évoluent.

"Ces premières données de Parker révèlent notre étoile, le soleil, de manières nouvelles et surprenantes, " a déclaré Thomas Zurbuchen, administrateur associé pour la science au siège de la NASA à Washington. "Observer le Soleil de près plutôt que d'une distance beaucoup plus grande nous donne une vue sans précédent sur les phénomènes solaires importants et comment ils nous affectent sur Terre, et nous donne de nouvelles informations pertinentes pour la compréhension des étoiles actives à travers les galaxies. Ce n'est que le début d'une période incroyablement excitante pour l'héliophysique avec Parker à l'avant-garde des nouvelles découvertes."

Bien que cela puisse nous sembler placide ici sur Terre, le Soleil est tout sauf silencieux. Notre étoile est magnétiquement active, libérant de puissants éclats de lumière, des déluges de particules se déplaçant près de la vitesse de la lumière et des nuages ​​de milliards de tonnes de matériau magnétisé. Toute cette activité affecte notre planète, injecter des particules nocives dans l'espace où volent nos satellites et astronautes, perturber les communications et les signaux de navigation, et même, lorsqu'elles sont intenses, déclenchant des pannes de courant. Cela s'est produit pendant toute la durée de vie de 5 milliards d'années du Soleil, et continuera à façonner le destin de la Terre et des autres planètes de notre système solaire dans le futur.

"Le Soleil a fasciné l'humanité pendant toute notre existence, " a déclaré Nour E. Raouafi, scientifique du projet Parker Solar Probe au Johns Hopkins Applied Physics Laboratory à Laurel, Maryland, qui a construit et gère la mission pour la NASA. "Nous avons beaucoup appris sur notre étoile au cours des dernières décennies, mais nous avions vraiment besoin d'une mission comme Parker Solar Probe pour aller dans l'atmosphère du Soleil. C'est seulement là que nous pouvons vraiment apprendre les détails de ces processus solaires complexes. Et ce que nous avons appris rien que sur ces trois orbites solaires a changé beaucoup de ce que nous savons du Soleil."

Ce qui se passe sur le Soleil est essentiel pour comprendre comment il façonne l'espace qui nous entoure. La majeure partie de la matière qui s'échappe du Soleil fait partie du vent solaire, une sortie continue de matière solaire qui baigne tout le système solaire. Ce gaz ionisé, appelé plasma, porte avec lui le champ magnétique du Soleil, l'étirant à travers le système solaire dans une bulle géante qui s'étend sur plus de 10 milliards de kilomètres.

Le vent solaire dynamique

Observé près de la Terre, le vent solaire est un flux de plasma relativement uniforme, avec des culbutes turbulentes occasionnelles. Mais à ce stade, il a parcouru plus de quatre-vingt-dix millions de kilomètres et les signatures des mécanismes exacts du Soleil pour chauffer et accélérer le vent solaire sont anéanties. Plus près de la source du vent solaire, Parker Solar Probe a vu une image bien différente :un système actif.

« La complexité était époustouflante lorsque nous avons commencé à examiner les données, " dit Stuart Bale, l'Université de Californie, Berkeley, responsable de la suite d'instruments FIELDS de Parker Solar Probe, qui étudie l'échelle et la forme des champs électriques et magnétiques. "Maintenant, Je m'y suis habitué. Mais quand je montre à mes collègues pour la première fois, ils sont juste époustouflés." Du point de vue de Parker à 15 millions de miles du Soleil, Bale a expliqué, le vent solaire est beaucoup plus impulsif et instable que ce que nous voyons près de la Terre.

Comme le Soleil lui-même, le vent solaire est constitué de plasma, où les électrons chargés négativement se sont séparés des ions chargés positivement, créant une mer de particules flottantes avec une charge électrique individuelle. Ces particules flottantes signifient que le plasma transporte des champs électriques et magnétiques, et les changements dans le plasma font souvent des marques sur ces champs. Les instruments FIELDS ont étudié l'état du vent solaire en mesurant et en analysant soigneusement comment les champs électriques et magnétiques autour du vaisseau spatial ont changé au fil du temps, ainsi que la mesure des ondes dans le plasma voisin.

Ces mesures ont montré des inversions rapides du champ magnétique et soudaines, des jets de matière plus rapides, autant de caractéristiques qui rendent le vent solaire plus turbulent. Ces détails sont essentiels pour comprendre comment le vent disperse l'énergie lorsqu'elle s'éloigne du Soleil et dans tout le système solaire.

Un type d'événement a particulièrement retenu l'attention des équipes scientifiques :des flips dans le sens du champ magnétique, qui sort du Soleil, noyé dans le vent solaire. Ces inversions, appelées "switchbacks", durent de quelques secondes à plusieurs minutes lorsqu'elles s'écoulent sur Parker Solar Probe. Lors d'un retour en arrière, le champ magnétique revient sur lui-même jusqu'à ce qu'il soit dirigé presque directement vers le Soleil. Ensemble, CHAMPS et SWEAP, la suite d'instruments à vent solaire dirigée par l'Université du Michigan et gérée par le Smithsonian Astrophysical Observatory, a mesuré des grappes de lacets tout au long des deux premiers survols de Parker Solar Probe.

"Des vagues ont été observées dans le vent solaire depuis le début de l'ère spatiale, et nous avons supposé que plus près du Soleil, les vagues deviendraient plus fortes, mais nous ne nous attendions pas à les voir s'organiser en ces pics de vitesse structurés cohérents, " a déclaré Justin Kasper, chercheur principal pour SWEAP—abréviation de Solar Wind Electrons Alphas and Protons—à l'Université du Michigan à Ann Arbor. "Nous détectons des restes de structures du Soleil projetés dans l'espace et modifiant violemment l'organisation des flux et du champ magnétique. Cela changera radicalement nos théories sur la façon dont la couronne et le vent solaire sont chauffés."

La source exacte des lacets n'est pas encore comprise, mais les mesures de Parker Solar Probe ont permis aux scientifiques de restreindre les possibilités.

Parmi les nombreuses particules qui affluent perpétuellement du Soleil, il y a un faisceau constant d'électrons en mouvement rapide, qui chevauchent les lignes de champ magnétique du Soleil jusqu'au système solaire. Ces électrons circulent toujours strictement le long de la forme des lignes de champ sortant du Soleil, indépendamment du fait que le pôle nord du champ magnétique dans cette région particulière pointe vers ou loin du Soleil. Mais Parker Solar Probe a mesuré ce flux d'électrons allant dans la direction opposée, retournant vers le Soleil - montrant que le champ magnétique lui-même doit se replier vers le Soleil, plutôt que Parker Solar Probe rencontrant simplement une ligne de champ magnétique différente du Soleil qui pointe dans la direction opposée. Cela suggère que les lacets sont des défauts du champ magnétique - des perturbations localisées s'éloignant du Soleil, plutôt qu'un changement dans le champ magnétique lorsqu'il émerge du Soleil.

Les observations de Parker Solar Probe sur les lacets suggèrent que ces événements deviendront encore plus fréquents à mesure que le vaisseau spatial se rapprochera du Soleil. La prochaine rencontre solaire de la mission le 29 janvier 2020, transportera le vaisseau spatial plus près du Soleil que jamais auparavant, et peut apporter un éclairage nouveau sur ce processus. Non seulement ces informations aident à changer notre compréhension des causes du vent solaire et de la météo spatiale autour de nous, cela nous aide également à comprendre un processus fondamental du fonctionnement des étoiles et de la façon dont elles libèrent de l'énergie dans leur environnement.

Le vent solaire tournant

Certaines des mesures de Parker Solar Probe rapprochent les scientifiques des réponses à des questions vieilles de plusieurs décennies. Une de ces questions est de savoir comment, exactement, le vent solaire sort du Soleil.

Près de la Terre, nous voyons le vent solaire s'écouler presque radialement, c'est-à-dire qu'il s'écoule directement du Soleil, tout droit dans toutes les directions. Mais le Soleil tourne en libérant le vent solaire; avant qu'il ne se libère, le vent solaire tournait avec lui. C'est un peu comme si des enfants montaient sur un carrousel de parc de jeux - l'atmosphère tourne avec le soleil un peu comme la partie extérieure du carrousel tourne, mais plus on s'éloigne du centre, plus vous vous déplacez vite dans l'espace. Un enfant sur le bord pourrait sauter et le ferait, à ce moment, se déplacer en ligne droite vers l'extérieur, plutôt que de continuer à tourner. D'une manière similaire, il y a un point entre le Soleil et la Terre, le vent solaire passe d'une rotation avec le Soleil à un écoulement direct vers l'extérieur, ou radialement, comme on le voit depuis la Terre.

L'endroit exact où le vent solaire passe d'un flux rotationnel à un flux parfaitement radial a des implications sur la façon dont le Soleil libère de l'énergie. Trouver ce point peut nous aider à mieux comprendre le cycle de vie d'autres étoiles ou la formation de disques protoplanétaires, les disques denses de gaz et de poussière autour des jeunes étoiles qui finissent par fusionner en planètes.

Maintenant, pour la première fois, plutôt que de simplement voir ce flux rectiligne que nous voyons près de la Terre, Parker Solar Probe a pu observer le vent solaire alors qu'il tournait encore. C'est comme si Parker Solar Probe avait une vue directe du carrousel tourbillonnant pour la première fois, pas seulement les enfants qui en sautent. L'instrument à vent solaire de Parker Solar Probe a détecté une rotation commençant à plus de 20 millions de kilomètres du Soleil, et alors que Parker approchait de son périhélie, la vitesse de rotation augmente. La force de la circulation était plus forte que de nombreux scientifiques l'avaient prédit, mais il est également passé plus rapidement que prévu à un flux sortant, c'est ce qui aide à masquer ces effets de l'endroit où nous nous asseyons habituellement, à environ 93 millions de kilomètres du Soleil.

"Le grand flux de rotation du vent solaire observé lors des premières rencontres a été une vraie surprise, " a déclaré Kasper. " Alors que nous espérions éventuellement voir un mouvement de rotation plus proche du Soleil, les vitesses élevées que nous observons lors de ces premières rencontres sont près de dix fois supérieures à celles prévues par les modèles standard."

Poussière près du Soleil

Une autre question approchant une réponse est la zone sans poussière insaisissable. Notre système solaire est inondé de poussière - les miettes cosmiques des collisions qui ont formé les planètes, astéroïdes, comètes et autres corps célestes il y a des milliards d'années. Les scientifiques soupçonnent depuis longtemps que, près du Soleil, cette poussière serait chauffée à haute température par la lumière solaire puissante, en le transformant en gaz et en créant une région sans poussière autour du Soleil. Mais personne ne l'avait jamais observé.

Pour la première fois, Les imageurs de Parker Solar Probe ont vu la poussière cosmique commencer à s'éclaircir. Parce que WISPR—l'instrument d'imagerie de Parker Solar Probe, dirigé par le Naval Research Lab—regarde du côté du vaisseau spatial, it can see wide swaths of the corona and solar wind, including regions closer to the Sun. These images show dust starting to thin a little over 7 million miles from the Sun, and this decrease in dust continues steadily to the current limits of WISPR's measurements at a little over 4 million miles from the Sun.

"This dust-free zone was predicted decades ago, but has never been seen before, " said Russ Howard, principal investigator for the WISPR suite—short for Wide-field Imager for Solar Probe—at the Naval Research Laboratory in Washington, D.C. "We are now seeing what's happening to the dust near the Sun."

At the rate of thinning, scientists expect to see a truly dust-free zone starting a little more than 2-3 million miles from the Sun—meaning Parker Solar Probe could observe the dust-free zone as early as 2020, when its sixth flyby of the Sun will carry it closer to our star than ever before.

Putting space weather under a microscope

Parker Solar Probe's measurements have given us a new perspective on two types of space weather events:energetic particle storms and coronal mass ejections.

Tiny particles—both electrons and ions—are accelerated by solar activity, creating storms of energetic particles. Events on the Sun can send these particles rocketing out into the solar system at nearly the speed of light, meaning they reach Earth in under half an hour and can impact other worlds on similarly short time scales. These particles carry a lot of energy, so they can damage spacecraft electronics and even endanger astronauts, especially those in deep space, outside the protection of Earth's magnetic field—and the short warning time for such particles makes them difficult to avoid.

Understanding exactly how these particles are accelerated to such high speeds is crucial. But even though they zip to Earth in as little as a few minutes, that's still enough time for the particles to lose the signatures of the processes that accelerated them in the first place. By whipping around the Sun at just a few million miles away, Parker Solar Probe can measure these particles just after they've left the Sun, shedding new light on how they are released.

Déjà, Parker Solar Probe's ISʘIS instruments, led by Princeton University, have measured several never-before-seen energetic particle events—events so small that all trace of them is lost before they reach Earth or any of our near-Earth satellites. These instruments have also measured a rare type of particle burst with a particularly high number of heavier elements—suggesting that both types of events may be more common than scientists previously thought.

"It's amazing—even at solar minimum conditions, the Sun produces many more tiny energetic particle events than we ever thought, " said David McComas, principal investigator for the Integrated Science Investigation of the Sun suite, or ISʘIS, at Princeton University in New Jersey. "These measurements will help us unravel the sources, accélération, and transport of solar energetic particles and ultimately better protect satellites and astronauts in the future."

Data from the WISPR instruments also provided unprecedented detail on structures in the corona and solar wind—including coronal mass ejections, billion-ton clouds of solar material that the Sun sends hurtling out into the solar system. CMEs can trigger a range of effects on Earth and other worlds, from sparking auroras to inducing electric currents that can damage power grids and pipelines. WISPR's unique perspective, looking alongside such events as they travel away from the Sun, has already shed new light on the range of events our star can unleash.

"Since Parker Solar Probe was matching the Sun's rotation, we could watch the outflow of material for days and see the evolution of structures, " said Howard. "Observations near Earth have made us think that fine structures in the corona segue into a smooth flow, and we're finding out that's not true. This will help us do better modeling of how events travel between the Sun and Earth."

As Parker Solar Probe continues on its journey, it will make 21 more close approaches to the Sun at progressively closer distances, culminating in three orbits a mere 3.83 million miles from the solar surface.

"The Sun is the only star we can examine this closely, " dit Nicola Fox, directeur de la division d'héliophysique au siège de la NASA. "Getting data at the source is already revolutionizing our understanding of our own star and stars across the universe. Our little spacecraft is soldiering through brutal conditions to send home startling and exciting revelations."

Data from Parker Solar Probe's first two solar encounters is available to the public online.

Parker Solar Probe is part of NASA's Living with a Star program to explore aspects of the Sun-Earth system that directly affect life and society. The Living with a Star program is managed by the agency's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, for NASA's Science Mission Directorate in Washington. Johns Hopkins APL designed, built and operates the spacecraft.