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01/13/2020

Nouvel éclairage sur le dynamisme des vents solaires grâce à la sonde Parker Probe : entretien avec Alexis Rouillard

Les premières observations de la sonde de la NASA Solar Parker Probe, qui s’est approchée bien plus près du Soleil que les précédentes missions, révèlent un environnement très dynamique avec des jets de matière intenses dans le vent solaire lent. Ces données, qui ont fait l’objet de quatre articles dans la revue Nature en décembre dernier, sont particulièrement précieuses pour mieux comprendre les vents solaires, notamment l’énigmatique origine des vents lents. Entretien avec Alexis Rouillard, chercheur CNRS à l’IRAP et coordinateur des projets de recherche ERC Slow_Source et ANR COROSHOCK.

A quoi correspondent les vents solaires dits lents et comment se distinguent-ils des vents rapides ?

Alexis Rouillard : L’atmosphère du Soleil est chauffée à plus d’un million de degrés et en conséquence « pousse » son atmosphère vers le milieu interplanétaire sous la forme d’un vent solaire. Les mécanismes physiques impliqués dans la génération des vents solaires ou stellaires sont encore très débattus. Le vent solaire qui se forme dans l’atmosphère du Soleil est constitué majoritairement d’un plasma d’hydrogène ionisé (protons, électrons) qui se déplace à des vitesses supersoniques vers la Terre et les autres planètes du système solaire. Les mesures interplanétaires de ce plasma montrent que le vent solaire vient en deux états très différents. Il existe une composante dite rapide qui se déplace à plus de 800 kilomètres par seconde (km/s) et une composante plus lente avec des vitesses inférieures à 400 km/s. Ces deux vents diffèrent non seulement par leur vitesse de propagation mais aussi par leur composition car ils ne transportent pas la même quantité d’ions lourds. Le vent lent est enrichi en éléments qui s’ionisent facilement dans les basses couches de l’atmosphère, comme le fer ou le magnésium. Comment le plasma de la couronne solaire peut être aussi fortement enrichi en fer et magnésium est un premier mystère à résoudre.

Pourquoi l’étude de leurs origines est un enjeu de recherche important ?

A. R. : Les vents les plus rapides sont formés dans des régions bien définies de l’atmosphère appelées les trous coronaux qui sont des tâches noires visibles dans les images du Soleil en ultraviolet. En revanche, l’origine des vents lents reste très énigmatique. La composition du vent solaire rapide typiquement mesurée par des sondes situées loin du Soleil (par exemple près de la Terre) est très similaire à la composition des trous coronaux (déduite des observations de télédétection). Cette connexion entre les trous coronaux et le vent solaire rapide est logique puisqu’on sait que ces trous se forment par la perte d’énergie de la couronne dans le vent solaire. En revanche ce qu’on observe c’est que la composition du vent solaire lent ne correspond pas à celle des trous coronaux. Puisque cette composition est figée dans l’atmosphère solaire et ne change pas entre la couronne solaire et nos points de mesure, on en déduit qu’une grande partie du vent lent ne peut pas provenir des trous coronaux. Le vent lent a, par contre, la même composition que les boucles magnétiques qui s’étendent dans la couronne et qui sont ancrées à la surface solaire. Or le plasma est piégé par ces boucles dans la couronne solaire, la grande question est donc de savoir comment le plasma du vent lent arrive à s’échapper de ces boucles pour former le vent solaire.

Nous avons donc deux mystères à résoudre : il faut non seulement trouver un ou des mécanismes physiques pour enrichir le plasma de la couronne solaire en fer mais aussi expliquer comment le plasma confiné dans les boucles arrive à s’échapper dans le milieu interplanétaire pour former le vent lent.

Par ailleurs, les vents et orages solaires sont susceptibles de perturber les activités humaines au sol et dans l’espace (positionnement par satellite, transmissions hautes fréquences, etc.). Une meilleure compréhension des mécanismes de formation des vents solaires contribue au développement de la météorologie de l’espace, une discipline en plein essor au niveau mondial, qui vise à anticiper les effets du Soleil sur l’environnement terrestre.

Quelles méthodes sont ou seront mises en place dans le projet ERC SLOW_SOURCE (2019-2024) pour déterminer les sources et propriétés des vents solaires ?

A. R. : Le projet ERC SLOW_SOURCE, initialement soutenu par l’ANR Tremplin ERC, vise à déterminer l’origine du vent lent au travers d’études poussées (simulations numériques, observations) de la dynamique des ions lourds dans l’atmosphère solaire. Le projet doit explorer la physique aux interfaces des différentes couches de l’atmosphère, depuis les régions denses près de la surface du Soleil jusqu’aux régions où le vent solaire devient supersonique. Un nouveau modèle de l’atmosphère solaire est en cours de développement, visant à simuler l’abondance des ions lourds de la couronne ainsi que les mécanismes d’expulsion de ces ions dans le vent lent. Ce modèle dit multi-espèces couple la dynamique des particules neutres et chargées ainsi que les effets du champ magnétique et de sa turbulence. Le modèle doit aussi pouvoir simuler l’ouverture des boucles magnétiques de la couronne pour libérer les particules dans le milieu interplanétaire et ainsi former le vent solaire lent.

Quel nouvel éclairage apportent les premières observations de la sonde Parker Solar Probe lancée par la NASA ?

A. R. : La sonde spatiale NASA Parker Solar Probe a été lancée en 2018 pour mesurer directement le plasma dans l’atmosphère solaire, là où les vents solaires se forment. Elle a déjà effectué trois passages dont les périhélies furent déjà deux fois plus près du Soleil que les missions précédentes. Après un an d’observations, elle a mis en évidence, tout près du Soleil, un environnement extrêmement dynamique constamment perturbé par des éjections de matière de toutes tailles qui sont particulièrement intenses dans le vent solaire lent. Une reconfiguration de la couronne solaire induisant en continu une ouverture des boucles magnétiques pour libérer de la matière dans le vent solaire pourrait expliquer le dynamisme du vent mesuré par Parker Solar Probe. Les chercheurs du projet SLOW_SOURCE ont publié plusieurs articles étudiant en détail la connexion entre cette couronne solaire et le vent solaire. Ainsi, la sonde propose déjà une pièce de puzzle qui permettra de résoudre à terme l’origine des vents solaires. Enfin, ces découvertes, quoique réalisées uniquement sur le Soleil, sont aussi pertinentes pour mieux comprendre d’autres catégories d’étoiles. Par exemple, Parker Solar Probe a observé une vitesse de rotation plus importante que prévu de la couronne autour du Soleil ce qui pourrait avoir une incidence sur notre compréhension plus générale de la rotation des étoiles. Une meilleure compréhension de la formation des vents stellaires contribuera à mieux modéliser les interactions étoiles-planètes et à déterminer dans quelles conditions la vie pourrait se développer dans d’autres systèmes exoplanétaires. Les vingt-deux autres passages de Parker Solar Probe de plus en plus proches du Soleil prévus d’ici 2025 promettent de belles découvertes.

Ces données peuvent elles être utiles pour d’autres axes de recherche, tel que l’accélération et la propagation de particules énergétiques dans la couronne, sujet d’étude du projet ANR Coroshock ?

A. R. : Absolument, les premières observations montrent que des particules énergétiques sont accélérées en permanence par de petits orages solaires et c’est une aussi vraie surprise : elles suggèrent l’existence d’un vivier de particules énergétiques autour du Soleil qui pourraient être essentielles à la formation de particules de très haute énergie qui menacent notamment le bon fonctionnement de nos satellites et les vols habités vers la Lune ou Mars. Dans une série d’articles complétée récemment par les chercheurs du projet ANR COROSHOCK (2017-2021), et qui seront publiés en Février dans l’Astrophysical Journal, nous démontrons que les particules pourraient être accélérées par des jets de plasma qui génèrent des ondes de choc près du Soleil.

En quoi ces travaux permettent-ils de préparer l’exploitation des données de la future mission ESA Solar Orbiter ? 

A. R. : L’instrumentation sur Parker Solar Probe a dû être limitée car les contraintes orbitales/opérationnelles de la sonde étaient immenses. La sonde Solar Orbiter qui va aussi se rapprocher du Soleil mais plus modestement que Parker Solar Probe, sera équipée de beaucoup plus d’instruments qui prendront des mesures détaillées de la composition du plasma du vent solaire pour étudier notamment l’origine du vent solaire lent. La sonde fournira aussi des données de télédétection (imagerie, spectroscopie) à très haute cadence temporelle et résolution spatiale pour étudier la dynamique du plasma très bas dans l’atmosphère solaire dans les régions que même Parker Solar Probe ne pourra pas atteindre. Enfin Solar Orbiter sera la première mission à observer en détail les régions polaires du Soleil, ceci nous donnera de nouvelles informations très importantes sur les processus qui génèrent le champ magnétique solaire. En combinant les données de ces deux missions nous devrions élucider un grand nombre de mystères qui demeurent toujours sur la dynamique de notre étoile.

En savoir plus :

News. Sun-bombing spacecraft uncovers secrets of the solar wind, Nature