De nombreuses boucles coronales - des brins de plasma en forme de cordes dont les scientifiques ont longtemps pensé qu’ils existaient dans l’atmosphère du Soleil - pourraient en fait être des illusions d’optique, selon un nouvel article qui remet en question les hypothèses dominantes sur ce que nous savons, et ne savons pas, du Soleil.

Les recherches, menées par le National Center for Atmospheric Research (NCAR) et publiées dans The Astrophysical Journal, s’appuient sur une simulation 3D réaliste de pointe de la couronne solaire. Cette simulation, réalisée au NCAR il y a plusieurs années, a permis aux scientifiques de découper la couronne en sections distinctes afin d’isoler les boucles coronales individuelles.

Ils ont découvert que de nombreuses boucles n’étaient pas du tout des boucles.

Si l’équipe de recherche est parvenue à localiser certaines des boucles coronales qu’elle recherchait, elle a également découvert que, dans de nombreux cas, ce qui semble être des boucles sur les images prises du Soleil peut en fait être des plis de plasma brillant dans l’atmosphère solaire. Lorsque les feuilles de plasma brillant se replient sur elles-mêmes, les plis ressemblent à de fines lignes brillantes, imitant l’aspect de brins de plasma distincts et autonomes.

Ces résultats, que l’équipe de recherche appelle l’hypothèse du « voile coronal », ont des implications importantes pour notre compréhension du Soleil, puisque les boucles coronales présumées sont utilisées depuis des décennies pour déduire des informations sur la densité, la température et d’autres caractéristiques physiques de l’atmosphère solaire.

« J’ai passé toute ma carrière à étudier les boucles coronales », a déclaré Anna Malanushenko, scientifique au NCAR, qui a dirigé l’étude. « J’étais enthousiaste à l’idée que cette simulation me donnerait l’occasion de les étudier plus en détail. Je ne m’attendais pas à cela. Lorsque j’ai vu les résultats, mon esprit a explosé. C’est un paradigme entièrement nouveau pour comprendre l’atmosphère du Soleil. »

La recherche a été financée par la NASA et a fait appel à des collaborateurs du High Altitude Observatory du NCAR, du Lockheed Martin Solar and Astrophysics Laboratory, du Southwest Research Institute et de la NASA Goddard. Le NCAR est parrainé par la National Science Foundation.

Remettre en question l’intuition

Ce qui semble être des boucles coronales est visible sur les images du Soleil prises dans la lumière ultraviolette extrême. L’hypothèse de leur existence est naturelle pour les scientifiques car elle correspond à notre compréhension la plus élémentaire du magnétisme.

La plupart des écoliers ont un jour vu ce qui se passe lorsqu’on saupoudre de la limaille de fer près d’un barreau aimanté. La limaille s’oriente le long des lignes de champ magnétique qui s’enroulent d’un pôle à l’autre du barreau aimanté. Ces lignes courbes s’étalent, devenant plus faibles et moins denses, à mesure qu’elles s’éloignent de l’aimant.

Les boucles coronales apparentes dans les images du Soleil sont étonnamment similaires, et comme il existe un champ magnétique important dans le Soleil, l’existence de lignes de champ magnétique qui pourraient piéger une corde de plasma entre elles et créer des boucles semble être une explication évidente. Et en fait, la nouvelle étude confirme que de telles boucles existent probablement.

Cependant, les boucles coronales observées dans le Soleil ne se sont jamais comportées exactement comme elles le devraient, compte tenu de notre compréhension des aimants. Par exemple, les scientifiques s’attendraient à ce que les lignes de champ magnétique du Soleil s’écartent, comme dans l’expérience de la limaille de fer, à mesure que l’on s’élève dans la couronne. Si tel était le cas, le plasma piégé entre les lignes de champ s’étalerait également entre les limites, créant des boucles plus épaisses et moins brillantes. Mais les images du Soleil ne montrent pas ce phénomène. Au contraire, les boucles plus éloignées apparaissent toujours fines et brillantes.

La possibilité que ces boucles soient plutôt des rides dans un voile coronal permet d’expliquer ce phénomène et d’autres divergences par rapport à nos attentes concernant les boucles, mais elle pose également de nouvelles questions. Par exemple, qu’est-ce qui détermine la forme et l’épaisseur des plis ? Et combien de boucles apparentes dans les images du Soleil sont en fait de véritables brins, et combien sont des illusions d’optique ?

« Cette étude nous rappelle, en tant que scientifiques, que nous devons toujours remettre en question nos hypothèses et que notre intuition peut parfois jouer contre nous », a déclaré M. Malanushenko.

Un modèle innovant offre une nouvelle vision du Soleil

La découverte que les boucles coronales peuvent être des illusions a été rendue possible grâce à une simulation extrêmement détaillée de la couronne solaire produite par MURaM, un modèle magnétohydrodynamique radiatif qui a été étendu pour modéliser la couronne solaire dans un effort mené par le NCAR.

La simulation était révolutionnaire lorsqu’elle a été réalisée, car elle était capable de modéliser simultanément ce qui se passait dans plusieurs régions du Soleil, de la partie supérieure de la zone convective - environ 10 000 kilomètres sous la surface du Soleil - à la surface solaire et au-delà, jusqu’à près de 40 000 kilomètres dans la couronne solaire. Ces différentes régions du Soleil couvrent une vaste gamme de conditions physiques, notamment des différences de densité et de pression, de sorte que les scientifiques n’avaient pas encore trouvé le moyen de représenter mathématiquement ces régions dans une simulation unifiée.

Entre autres résultats, la nouvelle simulation a permis de saisir pour la première fois le cycle de vie complet d’une éruption solaire, de l’accumulation d’énergie sous la surface solaire à l’émergence de l’éruption à la surface, et enfin à la libération explosive d’énergie.

Le modèle a également produit des ensembles de données tridimensionnelles contenant la structure du champ magnétique et du plasma, qui peuvent être utilisés pour générer des observations « synthétiques ». Comme la couronne solaire est optiquement mince - ce qui signifie qu’il est relativement facile de voir à travers elle - les structures de la couronne se chevauchent sur les images du Soleil. Il est donc difficile de dire si une « boucle » qui chevauche d’autres boucles se trouve devant ou derrière. Il est également difficile de dire si la boucle elle-même a une section transversale compacte, comme un tuyau d’arrosage, ou si elle ressemble à un long ruban vu de côté. Il est également possible que ce qui semble être un mince brin soit un artefact optique causé par un pli dans une feuille de plasma brillant.

Les quantités de données produites par MURaM offrent aux scientifiques la possibilité de disséquer l’atmosphère solaire et d’étudier séparément les structures qui se chevauchent, ce qui n’est pas possible avec les observatoires et les instruments dont nous disposons actuellement.

Bien que la simulation de MURaM soit l’une des plus réalistes jamais créées de la couronne solaire, il ne s’agit encore que d’un modèle. Pour comprendre combien de boucles coronales sont en réalité des illusions d’optique, il faudra concevoir des méthodes d’observation minutieuses qui sondent la couronne et de nouvelles techniques d’analyse des données.

« Nous savons que la conception de telles techniques sera extrêmement difficile, mais cette étude démontre que la façon dont nous interprétons actuellement les observations du Soleil pourrait ne pas être adéquate pour comprendre réellement la physique de notre étoile », a déclaré Malanushenko.

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