Lorsque la sonde solaire Parker de la NASA a renvoyé les premières observations de son voyage vers le Soleil, les scientifiques ont trouvé des signes d'un océan sauvage de courants et de vagues assez différents de l'espace proche de la Terre beaucoup plus proche de notre planète. Cet océan était parsemé de ce qui est devenu connu sous le nom de lacets :des retournements rapides dans le champ magnétique du Soleil qui ont inversé la direction comme une route de montagne en zigzag.

Les scientifiques pensent que reconstituer l'histoire des lacets est une partie importante de la compréhension du vent solaire, le flux constant de particules chargées qui s'écoule du Soleil. Le vent solaire traverse le système solaire, façonner un vaste système de météorologie spatiale, que nous étudions régulièrement à partir de divers points de vue autour du système solaire, mais nous avons encore des questions fondamentales sur la façon dont le Soleil parvient initialement à tirer cette rafale de deux millions de miles par heure.

Les physiciens solaires savent depuis longtemps que le vent solaire se présente sous deux formes :le vent rapide, qui parcourt environ 430 miles par seconde, et le vent lent, qui se déplace plus près de 220 miles par seconde. Le vent rapide a tendance à venir des trous coronaux, taches sombres sur le Soleil pleines de champ magnétique ouvert. Un vent plus lent émerge des parties du Soleil où les champs magnétiques ouverts et fermés se mêlent. Mais il nous reste encore beaucoup à apprendre sur les moteurs du vent solaire, et les scientifiques soupçonnent que les lacets – des jets rapides de matière solaire parsemés tout au long de celle-ci – détiennent des indices sur ses origines.

Depuis leur découverte, les lacets ont déclenché une vague d'études et de débats scientifiques alors que les chercheurs tentent d'expliquer comment les impulsions magnétiques se forment.

"C'est le processus scientifique en action, " a déclaré Kelly Korreck, Scientifique du programme d'héliophysique au siège de la NASA. « Il existe une variété de théories, et comme nous obtenons de plus en plus de données pour tester ces théories, nous nous rapprochons de la détermination des lacets et de leur rôle dans le vent solaire. »

Feux d'artifice magnétiques

D'un côté du débat :un groupe de chercheurs qui pensent que les lacets proviennent d'une explosion magnétique dramatique qui se produit dans l'atmosphère du Soleil.

Des signes de ce que nous appelons maintenant des lacets ont été observés pour la première fois par la mission conjointe NASA-Agence spatiale européenne Ulysse, le premier vaisseau spatial à survoler les pôles du Soleil. Mais lorsque les données ont été transmises par Parker Solar Probe des décennies plus tard, les scientifiques ont été surpris d'en trouver autant.

Au fur et à mesure que le Soleil tourne et que ses gaz surchauffés tourbillonnent, les champs magnétiques migrent autour de notre étoile. Certaines lignes de champ magnétique sont ouvertes, comme des rubans flottant au vent. D'autres sont fermés, avec les deux extrémités ou "points de pied" ancrés dans le Soleil, formant des boucles qui cours avec de la matière solaire brûlante. Une théorie, initialement proposée en 1996 sur la base des données d'Ulysse, suggère que les retours en arrière sont le résultat d'un affrontement entre les champs magnétiques ouverts et fermés. Une analyse publiée l'année dernière par les scientifiques Justin Kasper et Len Fisk de l'Université du Michigan explore davantage la théorie vieille de 20 ans.

Lorsqu'une ligne de champ magnétique ouverte frôle une boucle magnétique fermée, ils peuvent se reconfigurer dans un processus appelé reconnexion d'échange - un réarrangement explosif des champs magnétiques qui conduit à une forme de lacet. "La reconnexion magnétique, c'est un peu comme des ciseaux et un pistolet à souder combinés en un seul, " a déclaré Gary Zank, un physicien solaire à l'Université d'Alabama Huntsville. La ligne ouverte s'enclenche sur la boucle fermée, libérer une bouffée de plasma chaud de la boucle, tout en "collant" les deux champs dans une nouvelle configuration. Ce claquement soudain jette un coude en forme de S dans la ligne de champ magnétique ouverte avant que la boucle ne se referme, un peu comme, par exemple, la façon dont une secousse rapide de la main enverra une onde en forme de S descendant une corde.

D'autres articles de recherche ont examiné comment les lacets prennent forme après le feu d'artifice de la reconnexion. Souvent, cela signifie construire des simulations mathématiques, comparer ensuite les retours en arrière générés par ordinateur aux données Parker Solar Probe. S'ils sont proches, la physique utilisée pour créer les modèles peut aider à décrire avec succès la physique réelle des lacets.

Zank a dirigé le développement du premier modèle de lacets. Son modèle n'en suggère pas un, mais deux fouets magnétiques naissent lors de la reconnexion :l'un descend jusqu'à la surface solaire et l'autre file dans le vent solaire. Comme un fil électrique fait d'un faisceau de fils plus petits, chaque boucle magnétique est constituée de plusieurs lignes de champ magnétique. "Ce qui se produit est, chacun de ces fils individuels se reconnecte, vous produisez donc toute une série de lacets en peu de temps, " dit Zank.

Zank et son équipe ont modélisé la toute première sonde Parker Solar Probe observée, le 6 novembre, 2018. Ce premier modèle correspond bien aux observations, encourager l'équipe à le développer davantage. Les résultats de l'équipe ont été publiés dans The Astrophysical Journal le 26 octobre. 2020.

Un autre groupe de scientifiques, dirigé par James Drake, physicien de l'Université du Maryland, s'accorde sur l'importance de la reconnexion des échangeurs. Mais ils diffèrent en ce qui concerne la nature des lacets eux-mêmes. Là où d'autres disent que les lacets sont un pli dans une ligne de champ magnétique, Drake et son équipe suggèrent que ce que Parker observe est la signature d'une sorte de structure magnétique, appelé une corde de flux.

Dans les simulations de Drake, le pli sur le terrain n'a pas voyagé très loin avant de s'éteindre. "Les lignes de champ magnétique sont comme des élastiques, ils aiment reprendre leur forme d'origine, ", a-t-il expliqué. Mais les scientifiques savaient que les lacets devaient être suffisamment stables pour se rendre là où Parker Solar Probe pouvait les voir. D'un autre côté, les cordes de flux, qui sont considérées comme des composants essentiels de nombreuses éruptions solaires, sont plus robustes. Imaginez une canne en bonbon à rayures magnétiques. C'est une corde de flux :des bandes de champ magnétique enroulées autour d'un faisceau de plus de champ magnétique.

Drake et son équipe pensent que les cordes de flux pourraient être un élément important pour expliquer les lacets, car ils doivent être suffisamment stables pour voyager jusqu'à l'endroit où Parker Solar Probe les a observés. Leur étude, publiée dans Astronomie et astrophysique le 8 octobre, 2020 - jette les bases de la construction d'un modèle basé sur la corde de flux pour décrire les origines des lacets.

Ce que ces scientifiques ont en commun, c'est qu'ils pensent que la reconnexion magnétique peut expliquer non seulement comment les lacets se forment, mais aussi comment le vent solaire est chauffé et s'élance du Soleil. En particulier, les lacets sont liés au vent solaire lent. Chaque lacet projette une goutte de plasma chaud dans l'espace. "Alors nous demandons, "Si vous additionnez toutes ces rafales, peuvent-ils contribuer à la génération du vent solaire ?' », a déclaré Drake.

Aller dans le sens du courant

De l'autre côté du débat se trouvent les scientifiques qui pensent que des lacets se forment dans le vent solaire, comme un sous-produit des forces turbulentes qui l'agitent.

Jonathan Squire, physicien de l'espace à l'Université d'Otago en Nouvelle-Zélande, est l'un d'eux. À l'aide de simulations informatiques, il a étudié comment les petites fluctuations du vent solaire ont évolué au fil du temps. "Ce que nous faisons, c'est essayer de suivre un petit paquet de plasma lorsqu'il se déplace vers l'extérieur, " dit l'écuyer.

Chaque parcelle de vent solaire se dilate en s'échappant du Soleil, exploser comme un ballon. Les ondes qui ondulent à travers le Soleil créent de minuscules ondulations dans ce plasma, des ondulations qui se développent progressivement au fur et à mesure que le vent solaire se propage.

"Ils commencent d'abord comme des wiggles, mais alors ce que nous voyons, c'est qu'ils grandissent encore plus loin, ils se transforment en lacets, " a déclaré Squire. " C'est pourquoi nous pensons que c'est une idée assez convaincante - cela s'est produit tout seul dans le modèle. sur la science solaire.

modèle d'écuyer, publié le 26 février 2020, suggère que les lacets se forment naturellement à mesure que le vent solaire se développe dans l'espace. Les parties du vent solaire qui se développent plus rapidement, il prédit, devrait également avoir plus de lacets, une prédiction déjà testable avec le dernier jeu de données Parker.

D'autres chercheurs s'accordent à dire que les lacets commencent dans le vent solaire, mais soupçonnez qu'ils se forment lorsque des courants rapides et lents de vent solaire se frottent les uns contre les autres. Une étude d'octobre 2020, dirigé par Dave Ruffolo à l'Université Mahidol de Bangkok, Thaïlande, esquissé cette idée.

Bill Matthaeus, co-auteur du papier et physicien de l'espace à l'Université du Delaware à Newark, indique le cisaillement à la limite entre les courants rapides et lents. Ce cisaillement entre rapide et lent crée des tourbillons caractéristiques que l'on voit partout dans la nature, comme les tourbillons qui se forment lorsque l'eau de la rivière s'écoule autour d'un rocher. Leurs modèles suggèrent que ces tourbillons deviennent finalement des lacets, recourbant les lignes de champ magnétique sur elles-mêmes.

Mais les tourbillons ne se forment pas immédiatement – ​​le vent solaire doit se déplacer assez rapidement avant de pouvoir plier ses lignes de champ magnétique autrement rigides. Le vent solaire atteint cette vitesse à environ 8,5 millions de miles du Soleil. La prédiction clé de Mattheaus est que lorsque Parker se rapprochera beaucoup plus du Soleil que cela, ce qui devrait se produire lors de son prochain passage rapproché à 6,5 millions de miles du Soleil, le 29 avril, 2021, les lacets devraient disparaître.

« Si c'est l'origine, alors que Parker se déplace dans la couronne inférieure, ce cisaillement ne peut pas se produire, " dit Mattheaus. " Alors, les lacets causés par le phénomène que nous décrivons devraient disparaître."

Un aspect des lacets que ces modèles de vent solaire n'ont pas encore simulé avec succès est le fait qu'ils ont tendance à être plus forts lorsqu'ils se tordent dans une direction particulière – la même direction de rotation du Soleil. Cependant, les deux simulations ont été créées avec un Soleil immobile, ne tourne pas, ce qui peut faire la différence. Pour ces modélistes, l'incorporation de la rotation réelle du Soleil est la prochaine étape.

Se tordant dans le vent

Finalement, certains scientifiques pensent que les lacets proviennent des deux processus, commençant par la reconnexion ou le mouvement du point de pied au soleil, mais ne prenant leur forme finale qu'une fois qu'ils sont sortis dans le vent solaire. Un article publié aujourd'hui par Nathan Schwadron et David McComas, physiciens de l'espace à l'Université du New Hampshire et à l'Université de Princeton, respectivement, adopte cette approche, affirmant que les lacets se forment lorsque des courants de vent solaire rapide et lent se réalignent à leurs racines.

Après ce réalignement, le vent rapide finit "derrière" le vent lent, sur la même ligne de champ magnétique. (Imaginez un groupe de joggeurs sur une piste de course, sprinters olympiques sur leurs talons.) Cela pourrait arriver dans tous les cas où le vent lent et rapide se rencontrent, mais plus particulièrement aux limites des trous coronaux, où le vent solaire rapide est né. Alors que les trous coronaux migrent à travers le Soleil, filant sous des courants de vent solaire plus lent, le point de départ du vent solaire lent se branche sur une source de vent rapide. Le vent solaire rapide court après le courant plus lent qui le précède. Finalement, le vent rapide dépasse le vent plus lent, inverser la ligne de champ magnétique et former un retour en arrière.

Schwadron pense que le mouvement des trous coronaux et des sources de vent solaire à travers le Soleil est également une pièce clé du puzzle. Reconnexion au bord d'attaque des trous coronaux, Il suggère, pourrait expliquer pourquoi les lacets ont tendance à « zig » d'une manière alignée avec la rotation du Soleil.

"Le fait que ceux-ci soient orientés de cette manière particulière nous dit quelque chose de très fondamental, " a déclaré Schwadron.

Bien que cela commence avec le Soleil, Schwadron et McComas pensent que ces flux de reconnexion ne deviennent que des lacets dans le vent solaire, où les lignes de champ magnétique du Soleil sont suffisamment flexibles pour se replier sur elles-mêmes.

Alors que Parker Solar Probe se rapproche de plus en plus du Soleil, les scientifiques chercheront avec impatience des indices qui soutiendront – ou démystifieront – leurs théories. "Il y a différentes idées qui circulent, " dit Zank. " Finalement, quelque chose va se passer. "