Les scientifiques ont simulé les éruptions solaires et l’accélération ultérieure des particules chargées dans la couronne solaire à l’aide de simulations de superordinateur de pointe. Ils ont découvert que le mécanisme d’accélération nécessite des conditions spécifiques dans le vent solaire. Le vent solaire est un flux continu de particules chargées provenant du Soleil.
Lorsque la vitesse du vent solaire est comprise entre environ 500 et 650 kilomètres (310 et 404 miles) par seconde et qu'il existe de vastes zones sur le Soleil avec de puissants champs magnétiques traversant la surface, les conditions sont réunies pour que le mécanisme d'accélération commence à fonctionner.
Les observations des scientifiques pourraient conduire au développement de nouveaux modèles de météorologie spatiale qui prédisent les rayonnements spatiaux nocifs avec un délai suffisant pour protéger les astronautes travaillant en dehors du bouclier magnétique terrestre. Les rayonnements spatiaux constituent un risque majeur pour la santé des astronautes et constituent un défi important pour les missions humaines sur la Lune et sur Mars.
Les résultats de l'équipe de recherche ont été publiés dans la revue _Physical Review Letters_.
"Lorsque les astronautes voyagent en dehors de la magnétosphère protectrice de la Terre, ils sont exposés à des niveaux élevés de rayonnement spatial", a déclaré le Dr Vassilis Angelopoulos, ancien professeur distingué de premier cycle au département de physique de NC State et auteur correspondant de l'étude. "Une grande partie de ce rayonnement prend la forme de protons hautement énergétiques. Cependant, malgré des décennies de recherche, nous ne comprenons toujours pas pleinement les mécanismes physiques qui accélèrent ces protons jusqu'à des énergies aussi élevées."
Les astrophysiciens pensent que l'accélération se produit probablement dans la couronne solaire, l'atmosphère extérieure du Soleil, et qu'elle doit se produire par étapes, car aucun processus ne peut accélérer les protons jusqu'aux énergies observées près de la Terre. Le scénario dominant est que les protons gagnent une quantité importante d’énergie très près du Soleil grâce à la reconnexion des lignes de champ magnétique – un processus appelé reconnexion magnétique – et sont ensuite encore accélérés par un mécanisme encore inconnu quelque part dans l’héliosphère interne :la région située entre le Soleil et la Terre.
Les observations montrent que ces événements énergétiques semblent être associés à des éruptions solaires impliquant ce que l'on appelle des éjections de masse coronale (CME). Cependant, les CME sont également des phénomènes omniprésents qui se produisent en permanence, mais très peu d’entre eux (seulement 1 % environ) finissent par produire des rayonnements dangereux.
"Cela montre que les CME ne peuvent pas, à elles seules, être responsables de l'accélération", a déclaré Angelopoulos. "Il doit y avoir quelque chose de plus :des conditions spécifiques qui conduisent au lancement du processus d'accélération des particules."
Alors, quelles sont ces conditions spécifiques ?
L’équipe de recherche a réalisé une vaste série de simulations basées sur la physique avec des modèles d’éruptions solaires de pointe sur ordinateur, y compris des CME. Ils ont découvert que l’accélération des protons à haute énergie commence lorsque le vent solaire atteint une plage de vitesses spécifique et qu’il existe de vastes régions sur le Soleil avec de puissants champs magnétiques traversant la surface solaire.
"La couronne solaire est pleine de champs magnétiques, et nous soupçonnons depuis longtemps que les champs magnétiques jouent un rôle essentiel dans le processus d'accélération", a déclaré le Dr Xiaowei Wang, ancien chercheur postdoctoral au Département de physique de NC State et auteur principal de le papier. "Mais les champs magnétiques doivent être structurés de la bonne manière, comme un slinky entièrement étendu autour du Soleil. Nos simulations numériques montrent que lorsque ces conditions se produisent, le décor est planté pour la génération de protons de haute énergie."
Lorsque de telles conditions favorables sont présentes, la reconnexion magnétique peut devenir très rapide. Ceci, à son tour, peut rapidement restructurer les champs magnétiques de telle sorte que les champs électriques accélèrent les protons à des énergies élevées.
Les modèles de météorologie spatiale peuvent potentiellement prédire l’occurrence et l’heure d’arrivée d’événements de protons de haute énergie sur Terre s’ils peuvent fournir des informations sur les conditions du vent solaire et la structure du champ magnétique à grande échelle sur le Soleil. Développer des modèles de météorologie spatiale dotés de cette capacité est un défi mais réalisable, et les recherches du groupe d'Angelopoulos se poursuivent dans cette direction.
