Deux vaisseaux spatiaux ont fourni une mesure révolutionnaire qui aide à résoudre un mystère cosmique vieux de 65 ans : la raison pour laquelle l'atmosphère du Soleil est si chaude. L'atmosphère du soleil s'appelle la couronne. Il s’agit d’un gaz chargé électriquement appelé plasma, dont la température est d’environ un million de degrés Celsius. Sa température est un mystère éternel, car la température à la surface du soleil n'est que d'environ 6 000 degrés Celsius. La couronne devrait être plus froide que la surface, car l'énergie du soleil provient du four nucléaire situé en son cœur, et plus vous êtes éloigné de la source de chaleur, plus elle devient naturellement froide.Cependant, la température de la couronne est plus de 150 fois supérieure à celle de la surface. Il doit y avoir une autre méthode de transfert d’énergie au plasma au travail, quelle est-elle ?

Sur cette image capturée par l'instrument Metis de Solar Orbiter, on peut voir l'atmosphère extérieure du Soleil, connue sous le nom de couronne, s'étendre dans l'espace. Metis est un appareil multi-longueurs d'onde qui fonctionne à la fois dans les longueurs d'onde visibles et ultraviolettes. Il s'agit d'un coronographe, ce qui signifie qu'il bloque la lumière du soleil de la surface du Soleil, rendant visible la lumière plus faible diffusée par les particules de la couronne. Dans cette image, le disque rouge flou représente le coronographe, tandis que le disque blanc est un masque utilisé pour compresser la taille de l'image afin de réduire la quantité de données de liaison descendante inutiles. Crédit image : ESA et NASA/Solar Orbiter/Metis Group ; D.Telloni et al. (2023)

Défis théoriques et d’investigation

On soupçonne depuis longtemps que les turbulences dans l’atmosphère solaire provoquent un échauffement important du plasma dans la couronne. Mais en étudiant ce phénomène, les physiciens solaires se sont heurtés à un problème pratique : il était impossible de collecter toutes les données nécessaires avec un seul vaisseau spatial.

Il existe deux méthodes pour étudier le Soleil : la télédétection et les mesures in situ. Dans les mesures de télédétection, un vaisseau spatial est placé à distance et utilise des caméras pour observer le soleil et son atmosphère à différentes longueurs d'onde. Lors d'une mesure in situ, le vaisseau spatial survole la zone qu'il souhaite étudier, prenant des mesures des particules et des champs magnétiques dans cette partie de l'espace.

Les deux méthodes ont leurs avantages. La télédétection peut donner des résultats à grande échelle mais ne peut pas montrer les détails des processus qui se produisent dans le plasma. Dans le même temps, les mesures in situ peuvent fournir des informations très spécifiques sur les processus à petite échelle dans le plasma, mais ne peuvent pas montrer comment ces processus affectent les processus à grande échelle.

Enquête sur deux vaisseaux spatiaux

Pour avoir une vue d’ensemble, il faudrait deux engins spatiaux. C'est exactement ce dont disposent actuellement les héliophysiciens, avec le vaisseau spatial Solar Orbiter dirigé par l'ESA et la sonde solaire Parker de la NASA. Solar Orbiter est conçu pour se rapprocher le plus possible du Soleil tout en effectuant des opérations de télédétection et des mesures in situ. La Parker Solar Probe a largement abandonné la télédétection du soleil lui-même, se rapprochant plutôt du soleil pour effectuer des mesures sur place.

Mais pour profiter pleinement de leur complémentarité, Parker Solar Probe doit se trouver dans le champ de vision de l'un des instruments de Solar Orbiter. De cette manière, Solar Orbiter peut enregistrer la grande quantité de données générées par les mesures in situ de Parker Solar Probe.


Le Solar Orbiter de l'ESA est l'un des deux engins spatiaux complémentaires qui étudient le soleil de près : il rejoint dans sa mission la Parker Solar Probe de la NASA. Crédits image : Solar Orbiter : ESA/ATGmedialab ; Sonde solaire Parker : NASA/Johns Hopkins APL

coordination astrophysique

Daniele Telloni, chercheur à l'Institut national italien d'astrophysique (INAF) de l'Observatoire astrophysique de Turin, est membre de l'équipe derrière l'instrument Metis de Solar Orbiter. Metis est un coronographe qui bloque la lumière de la surface du soleil et prend des photos de la couronne. C'était l'instrument parfait pour les mesures à grande échelle, alors Danielle a cherché à savoir quand la Parker Solar Probe s'alignerait.

Il a constaté que le 1er juin 2022, les deux vaisseaux spatiaux seront dans la configuration orbitale correcte – presque. Essentiellement, Solar Orbiter regardera le soleil, tandis que Parker Solar Probe est sur le côté, très près mais juste en dehors du champ de vision de l'instrument Métis.

Lorsque Daniel a vu le problème, il s'est rendu compte que pour mettre la Parker Solar Probe en vue, il suffirait d'une petite manœuvre sur Solar Orbiter : la faire rouler à 45 degrés et l'orienter légèrement loin du soleil.

Mais chaque mouvement d’une mission spatiale est soigneusement planifié à l’avance, et le vaisseau spatial lui-même est conçu pour pointer uniquement dans des directions très spécifiques, en particulier lorsqu’il fait face à la chaleur terrifiante du soleil. Il n’est pas clair si l’équipe chargée des opérations du vaisseau spatial approuverait une telle dérogation. Cependant, une fois que les avantages scientifiques potentiels sont devenus clairs pour tout le monde, la décision a été un « oui » sans équivoque.

La mission Solar Orbiter de l'ESA fera face au Soleil depuis l'orbite de Mercure lors de son approche la plus proche du Soleil. Source de l'image : ESA/ATGmedialab

Des observations révolutionnaires

Le roulis et la déviation se sont poursuivis ; La sonde solaire Parker est apparue et, pour la première fois, les deux vaisseaux spatiaux ont mesuré simultanément la structure à grande échelle de la couronne et les propriétés microphysiques du plasma.

"Ce travail est le résultat des contributions de nombreuses personnes", a déclaré Daniel, qui a dirigé l'analyse de l'ensemble de données. En travaillant ensemble, ils ont produit les premières observations complètes et estimations in situ des taux de chauffage coronaire.

"La possibilité d'utiliser simultanément Solar Orbiter et Parker Solar Probe ouvre une toute nouvelle dimension à cette recherche", a déclaré Gary Zank de l'Université d'Alabama à Huntsville, co-auteur de l'article.

En comparant les taux nouvellement mesurés aux années de prédictions théoriques des physiciens solaires, Daniel a montré que les physiciens solaires avaient presque certainement raison en identifiant la turbulence comme mode de transfert d'énergie.

Vue d'artiste de la sonde solaire Parker s'approchant du soleil. Source de l'image : NASA/JohnsHopkinsAPL/SteveGribben

La manière exacte dont les turbulences créent cet effet n’est pas sans rappeler ce qui se produit lorsque vous remuez votre café le matin. En stimulant le mouvement aléatoire d’un fluide (gaz ou liquide), l’énergie est transférée à des échelles plus petites, la convertissant finalement en chaleur. Dans la couronne, le fluide est également magnétisé, de sorte que l’énergie magnétique stockée peut également être convertie en énergie thermique.

Ce transfert d’énergie magnétique et cinétique d’échelles plus grandes vers des échelles plus petites est l’essence même de la turbulence. Aux plus petites échelles, les ondes finissent par interagir avec des particules individuelles (principalement des protons) et les réchauffent.

Conclusion et illumination

Il reste encore du travail à faire avant que le problème du chauffage solaire ne soit résolu, mais maintenant, grâce aux travaux de Daniele, les physiciens solaires ont mesuré ce processus pour la première fois.

"Il s'agit d'une première scientifique", a déclaré Daniel Müller, scientifique du projet.