Un phénomène détecté pour la première fois dans le vent solaire pourrait aider à résoudre un mystère de longue date sur le soleil : pourquoi l’atmosphère solaire est plus chaude de plusieurs millions de degrés que la surface.

Des images du spectrographe imageur de la région d’interface en orbite autour de la Terre (IRIS), et de l’ensemble d’imagerie atmosphérique (AIA), montrent des preuves que les boucles magnétiques de basse altitude sont chauffées à des millions de degrés Kelvin.

Les chercheurs défendent l’idée que les ions plus lourds, comme le silicium, sont préférentiellement chauffés à la fois dans le vent solaire et dans la région de transition entre la chromosphère et la couronne du soleil.

Là, des boucles de plasma magnétisé s’arc-boutent continuellement, un peu comme leurs cousins dans la couronne au-dessus. Elles sont beaucoup plus petites et difficiles à analyser, mais on pense depuis longtemps qu’elles abritent le mécanisme magnétique qui libère des rafales d’énergie sous forme de nano-éclairs.

Le physicien solaire Stephen Bradshaw de l’Université de Rice et ses collègues étaient parmi ceux qui le soupçonnaient, mais aucun n’avait de preuves suffisantes avant IRIS.

Le spectromètre de haut vol a été construit spécifiquement pour observer la région de transition. Dans l’étude, qui paraît dans Nature Astronomy, les chercheurs décrivent des « éclaircissements » dans les boucles de reconnexion qui contiennent de fortes signatures spectrales d’oxygène et, surtout, d’ions de silicium plus lourds.

L’équipe de Bradshaw, son ancien étudiant et auteur principal Shah Mohammad Bahauddin, aujourd’hui membre de la faculté de recherche au Laboratoire de physique atmosphérique et spatiale de l’Université du Colorado Boulder, et l’astrophysicienne de la NASA Amy Winebarger ont étudié les images IRIS capables de résoudre les détails de ces boucles de la région de transition et de détecter les poches de plasma super chaud. Ces images leur permettent d’analyser les mouvements et les températures des ions à l’intérieur des boucles via la lumière qu’ils émettent, lue sous forme de lignes spectrales qui servent d' »empreintes digitales » chimiques. »

« C’est dans les lignes d’émission que toute la physique est imprimée », explique Bradshaw, professeur associé de physique et d’astronomie. « L’idée était d’apprendre comment ces minuscules structures sont chauffées et d’espérer dire quelque chose sur la façon dont la couronne elle-même est chauffée. Il pourrait s’agir d’un mécanisme omniprésent qui fonctionne dans toute l’atmosphère solaire. »

Les images révèlent des spectres de points chauds où les lignes ont été élargies par des effets thermiques et Doppler, indiquant non seulement les éléments impliqués dans les nano-éclairs, mais aussi leurs températures et leurs vitesses.

Au niveau des points chauds, ils ont constaté que des jets reconnectés contenant des ions de silicium se sont rapprochés (décalés vers le bleu) et éloignés (décalés vers le rouge) de l’observateur (IRIS) à des vitesses pouvant atteindre 100 kilomètres par seconde. Aucun décalage Doppler n’a été détecté pour les ions oxygène, plus légers.

Les chercheurs ont étudié deux composantes du mécanisme : comment l’énergie sort du champ magnétique, puis comment elle chauffe effectivement le plasma.

La région de transition n’est que d’environ 10 000 degrés Fahrenheit, mais la convection à la surface du soleil affecte les boucles, tordant et tressant les minces brins magnétiques qui les composent, et ajoute de l’énergie aux champs magnétiques qui finissent par chauffer le plasma, explique Bradshaw. « Les observations IRIS ont montré ce processus en cours et nous sommes raisonnablement sûrs qu’au moins une réponse à la première partie passe par la reconnexion magnétique, dont les jets sont une signature clé », dit-il.

Dans ce processus, les champs magnétiques des brins de plasma se brisent et se reconnectent aux sites de tressage dans des états d’énergie inférieure, libérant l’énergie magnétique stockée. Là où cela se produit, le plasma devient surchauffé.

Mais comment l’énergie magnétique libérée chauffe le plasma est resté une énigme jusqu’à présent. « Nous avons examiné les régions de ces petites structures en boucle où la reconnexion avait lieu et nous avons mesuré les lignes d’émission des ions, principalement le silicium et l’oxygène », explique-t-il. « Nous avons constaté que les lignes spectrales des ions silicium étaient beaucoup plus larges que celles de l’oxygène. »

Cela indiquait un chauffage préférentiel des ions silicium. « Nous avions besoin de l’expliquer », dit Bradshaw. « Nous avons regardé et réfléchi et il s’avère qu’il y a un processus cinétique appelé chauffage cyclotronique des ions qui favorise le chauffage des ions lourds par rapport aux plus légers. »

Il dit que des ondes cyclotroniques ioniques sont générées sur les sites de reconnexion. Les ondes portées par les ions les plus lourds sont plus sensibles à une instabilité qui fait que les ondes se « brisent » et génèrent des turbulences, qui dispersent et dynamisent les ions. Cela élargit leurs lignes spectrales au-delà de ce que l’on pourrait attendre de la seule température locale du plasma. Dans le cas des ions les plus légers, l’énergie restante pourrait être insuffisante pour les chauffer. « Sinon, ils ne dépassent pas la vitesse critique nécessaire pour déclencher l’instabilité, qui est plus rapide pour les ions légers », dit-il.

« Dans le vent solaire, les ions plus lourds sont nettement plus chauds que les ions légers », dit Bradshaw. « Cela a été mesuré de manière définitive. Notre étude montre pour la première fois que c’est également une propriété de la région de transition, et pourrait donc persister dans toute l’atmosphère en raison du mécanisme que nous avons identifié, y compris le chauffage de la couronne solaire, d’autant plus que le vent solaire est une manifestation de l’expansion de la couronne dans l’espace interplanétaire. »

La prochaine question, dit Bahauddin, est de savoir si de tels phénomènes se produisent au même rythme partout sur le soleil. « Très probablement, la réponse est non », dit-il. « La question est alors de savoir dans quelle mesure ils contribuent au problème du chauffage coronal. Peuvent-ils fournir suffisamment d’énergie à la haute atmosphère pour qu’elle puisse maintenir une couronne de plusieurs millions de degrés ? « 

« Ce que nous avons montré pour la région de transition était une solution à une pièce importante du puzzle, mais la vue d’ensemble nécessite plus de pièces pour tomber au bon endroit », dit Bahauddin. « Je pense que l’IRIS sera en mesure de nous renseigner sur les pièces de la chromosphère dans un avenir proche. Cela nous aidera à construire une théorie unifiée et globale de l’atmosphère du soleil. »