Dans une étude publiée dans Astronomie de la nature , une équipe internationale de chercheurs a présenté une nouvelle, regard détaillé à l'intérieur du "moteur central" d'une grande éruption solaire accompagnée d'une puissante éruption capturée pour la première fois le 10 septembre, 2017 par l'Owens Valley Solar Array (EOVSA) - une installation de radiotélescope solaire exploitée par le Centre de recherche solaire-terrestre (CSTR) du New Jersey Institute of Technology (NJIT).

Les nouvelles découvertes, sur la base des observations de l'événement par EOVSA aux longueurs d'onde micro-ondes, proposent les premières mesures caractérisant les champs magnétiques et les particules au cœur de l'explosion. Les résultats ont révélé une énorme "feuille" de courant électrique s'étendant sur plus de 40, 000 kilomètres à travers la région d'évasement du cœur où les lignes de champ magnétique opposées se rapprochent, rompre et se reconnecter, générer l'énergie intense alimentant la torche.

Notamment, les mesures de l'équipe indiquent également une structure magnétique en forme de bouteille située au sommet de la base en forme de boucle de la fusée (connue sous le nom d'arcade de fusée) à une hauteur de près de 20, 000 kilomètres au-dessus de la surface du Soleil. La structure, l'équipe suggère, est probablement le site principal où les électrons hautement énergétiques de l'éruption sont piégés et accélérés à presque la vitesse de la lumière.

Les chercheurs disent que les nouvelles informations de l'étude sur le moteur central qui entraîne des éruptions aussi puissantes pourraient aider les futures prévisions météorologiques spatiales pour les dégagements d'énergie potentiellement catastrophiques des éruptions solaires - les explosions les plus puissantes du système solaire, capable de perturber gravement les technologies sur Terre telles que les opérations satellitaires, Systèmes de navigation et de communication GPS, parmi beaucoup d'autres.

"L'un des objectifs majeurs de cette recherche est de mieux comprendre la physique fondamentale des éruptions solaires, " dit Ben Chen, l'auteur principal de l'article et professeur de physique au NJIT. "Il a été longtemps suggéré que la libération soudaine d'énergie magnétique à travers la nappe de courant de reconnexion est responsable de ces éruptions majeures, pourtant il n'y a eu aucune mesure de ses propriétés magnétiques. Avec cette étude, nous avons enfin mesuré pour la première fois les détails du champ magnétique d'une nappe de courant, nous donnant une nouvelle compréhension du moteur central des principales éruptions solaires."

"L'endroit où toute l'énergie est stockée et libérée dans les éruptions solaires était jusqu'à présent invisible. ... Pour jouer sur un terme de la cosmologie, c'est le " problème de l'énergie noire du Soleil, ' et auparavant, nous avons dû déduire indirectement que la feuille de reconnexion magnétique de la fusée existait, " a déclaré Dale Gary, Directeur d'EOVSA au NJIT et co-auteur de l'article. "Les images d'EOVSA réalisées à de nombreuses fréquences micro-ondes ont montré que nous pouvons capturer des émissions radio pour illuminer cette région importante. Une fois que nous avons eu ces données, et les outils d'analyse créés par les co-auteurs Gregory Fleishman et Gelu Nita, nous avons pu commencer à analyser le rayonnement pour permettre ces mesures."

Plus tôt cette année dans le journal Science , l'équipe a signalé qu'elle pourrait enfin fournir des mesures quantitatives de l'intensité du champ magnétique en évolution directement après l'allumage de la fusée.

Poursuivant leur enquête, la dernière analyse de l'équipe a combiné des simulations numériques réalisées au Center for Astrophysics | Harvard &Smithsonian (CfA) avec les observations d'imagerie spectrale d'EOVSA et les données multi-longueurs d'onde, allant des ondes radio aux rayons X, collectées à partir de l'éruption solaire de taille X8.2. L'éruption est la deuxième plus importante à s'être produite au cours des 11 dernières années du cycle solaire, se produisant avec une éjection de masse coronale rapide (CME) qui a provoqué un choc à grande échelle dans la couronne solaire supérieure.

Parmi les surprises de l'étude, les chercheurs ont découvert que le profil mesuré du champ magnétique le long de la feuille de courant de la torche correspondait étroitement aux prédictions des simulations numériques de l'équipe, qui étaient basées sur un modèle théorique bien connu pour expliquer la physique des éruptions solaires, proposé pour la première fois dans les années 1990 sous une forme analytique.

"Cela nous a surpris que le profil de champ magnétique mesuré de la feuille actuelle corresponde parfaitement à la prédiction théorique faite il y a des décennies, " dit Chen.

"La force du champ magnétique du Soleil joue un rôle clé dans l'accélération du plasma lors d'une éruption. Notre modèle a été utilisé pour calculer la physique des forces magnétiques lors de cette éruption, qui se manifeste par une « corde » hautement torsadée de lignes de champ magnétique, ou corde à flux magnétique, " a expliqué Kathy Reeves, astrophysicien au CfA et co-auteur de l'étude. "Il est remarquable que ce processus compliqué puisse être capturé par un modèle analytique simple, et que les champs magnétiques prédits et mesurés correspondent si bien."

Les simulations, interprété par Chengcai Shen au CfA, ont été développés pour résoudre numériquement les équations régissant la quantification du comportement du plasma électriquement conducteur dans tout le champ magnétique de l'éruption. En appliquant une technique de calcul avancée connue sous le nom de "raffinement de maillage adaptatif, " l'équipe a pu résoudre la mince nappe de courant de reconnexion et capturer sa physique détaillée à des échelles spatiales ultrafines jusqu'à moins de 100 kilomètres.

"Nos résultats de simulation correspondent à la fois à la prédiction théorique sur la configuration du champ magnétique lors d'une éruption solaire et reproduisent un ensemble de caractéristiques observables de cette éruption particulière, y compris la force magnétique et les entrées/sorties de plasma autour de la feuille de courant de reconnexion, " a noté Shen.

Mesures choquantes

Les mesures de l'équipe et les résultats de la simulation correspondante ont révélé que la feuille de courant de la torche présente un champ électrique qui produit un choc 4, 000 volts par mètre. Un champ électrique aussi fort est présent sur 40, région de 000 kilomètres, supérieure à la longueur de trois Terres placées côte à côte.

L'analyse a également montré qu'une énorme quantité d'énergie magnétique était pompée dans la feuille actuelle à un taux estimé de 10 à 100 milliards de milliards (10 ²² -dix ²³ ) joules par seconde, c'est-à-dire la quantité d'énergie traitée au moteur de la torche, dans chaque seconde, équivaut à l'énergie totale libérée par l'explosion simultanée d'environ cent mille des bombes à hydrogène les plus puissantes (classe 50 mégatonnes).

"Une libération d'énergie aussi énorme au niveau de la nappe actuelle est époustouflante. Le fort champ électrique généré là-bas peut facilement accélérer les électrons à des énergies relativistes, mais le fait inattendu que nous avons trouvé était que le profil du champ électrique dans la région de la nappe actuelle ne coïncidait pas avec la distribution spatiale des électrons relativistes que nous avons mesurés, " dit Chen. " En d'autres termes, autre chose devait être en jeu pour accélérer ou rediriger ces électrons. Ce que nos données ont montré était un emplacement spécial au bas de la feuille actuelle – la bouteille magnétique – semble être crucial pour produire ou confiner les électrons relativistes. »

"Alors que la feuille actuelle semble être l'endroit où l'énergie est libérée pour lancer la balle, la majeure partie de l'accélération des électrons semble se produire dans cet autre endroit, la bouteille magnétique. ... Des bouteilles magnétiques similaires sont en cours de développement pour confiner et accélérer les particules dans certains réacteurs de fusion de laboratoire. " a ajouté Gary. " D'autres ont proposé une telle structure dans les éruptions solaires auparavant, mais nous pouvons vraiment le voir maintenant dans les chiffres."

Environ 99% des électrons relativistes de l'éruption ont été observés se rassemblant au niveau de la bouteille magnétique pendant toute la durée de l'émission de cinq minutes.

Pour l'instant, Chen dit que le groupe sera en mesure d'appliquer ces nouvelles mesures comme référence comparative pour étudier d'autres événements d'éruption solaire, ainsi que d'explorer le mécanisme exact qui accélère les particules en combinant les nouvelles observations, simulations numériques et théories avancées. En raison des capacités révolutionnaires d'EOVSA, Le NJIT a récemment été sélectionné pour participer à une collaboration NASA/NSF DRIVE Science Center sur la libération d'énergie par éruption solaire (SolFER).

"Notre objectif est de développer une compréhension complète des éruptions solaires, depuis leur initiation jusqu'à ce qu'ils finissent par projeter des particules hautement énergétiques dans le vent solaire, et éventuellement, dans l'environnement spatial de la Terre, " a déclaré Jim Drake, professeur de physique à l'Université du Maryland et chercheur principal de SolFER qui n'a pas participé à cette étude. "Ces premières observations suggèrent déjà que des électrons relativistes pourraient être piégés dans une grande bouteille magnétique produite lorsque les champs magnétiques de la couronne se "reconnectent" pour libérer leur énergie. … Les observations d'EOVSA continueront de nous aider à comprendre comment le champ magnétique conduit ces électrons énergétiques."

« Une étude plus approfondie du rôle de la bouteille magnétique dans l'accélération et le transport des particules nécessitera une modélisation plus avancée pour comparer avec les observations d'EOVSA, " a déclaré Chen. " Il y a certainement d'énormes perspectives pour nous d'étudier qui répondent à ces questions fondamentales. "