Une sonde s'approche du Soleil et révolutionne la physique de la couronne

Assez près pour ressentir le souffle du Soleil : une sonde spatiale s'est approchée du Soleil comme jamais auparavant

Au début de cette année, un engin spatial s'est approché du Soleil plus près que n'importe quel autre explorateur de l'histoire et a rapporté un ensemble de mesures qui forcent les physiciens à réécrire un problème classique de la science solaire. La sonde Parker Solar Probe de la NASA a plongé à plusieurs reprises au cœur de l'atmosphère extérieure du Soleil, s'approchant jusqu'à environ 3,8 millions de milles de la surface solaire visible lors de ses rencontres les plus audacieuses. Ces relevés bruts de particules et de champs effectués in situ — là où le vent solaire prend naissance et interagit encore fortement avec le champ magnétique du Soleil — sont aujourd'hui exploités avec de nouveaux outils d'analyse pour révéler comment l'énergie est transférée dans le vent et pourquoi la couronne atteint des millions de degrés.

Lancée en 2018, la Parker Solar Probe utilise une séquence d'assistances gravitationnelles de Vénus pour abaisser son périhélie dans l'héliosphère interne. Lors de ses passages les plus proches, l'engin spatial a pénétré dans des régions qui étaient, jusqu'à récemment, un territoire purement théorique pour les héliophysiciens. Cette proximité est cruciale : les instruments à bord de la sonde échantillonnent directement les distributions de vitesse des ions et des électrons, et non indirectement par des signatures lumineuses ou radio à distance. Ces distributions ne ressemblent pas aux simples courbes maxwelliennes en cloche supposées par de nombreux modèles ; elles sont au contraire asymétriques et structurées, portant les empreintes d'un chauffage récent et d'une activité ondulatoire.

Parce que la sonde traverse physiquement la couronne et le vent solaire naissant, les scientifiques peuvent comparer les mesures locales aux prévisions de théories de longue date. L'ensemble de données est inhabituel tant par sa proximité que par sa fidélité : champs magnétiques, vitesses et densités de particules, ondes électromagnétiques sur une gamme de fréquences — le tout mesuré à quelques millions de milles du Soleil. C'est cette combinaison qui permet aux chercheurs de tester, rejeter et affiner les mécanismes de chauffage qui font l'objet de débats depuis plus d'un siècle.

Pourquoi la proximité de la sonde avec le Soleil révèle des indices sur le chauffage coronal

Le mystère centenaire au cœur de ces observations est le problème du chauffage de la couronne : l'atmosphère extérieure du Soleil, la couronne, est beaucoup plus chaude que la surface visible située en dessous. La photosphère se situe autour de 5 800 kelvins, mais la couronne atteint des températures de plusieurs millions de kelvins. La manière dont l'énergie se déplace des couches inférieures du Soleil vers un plasma ténu qui devient pourtant bien plus chaud est une énigme depuis que les températures coronales élevées ont été déduites pour la première fois au début du XXe siècle.

De nouveaux travaux publiés cette année utilisent les mesures de proximité de Parker ainsi qu'un outil d'analyse numérique appelé ALPS — l'Arbitrary Linear Plasma Solver — pour affronter directement cette énigme. ALPS permet aux scientifiques de calculer comment les distributions de vitesse des particules non maxwelliennes observées interagissent avec les ondes électromagnétiques à l'échelle ionique : quelles ondes sont émises, lesquelles sont absorbées et quelle quantité d'énergie est échangée. Le résultat est une comptabilisation bien plus détaillée du flux d'énergie dans l'héliosphère interne que les modèles précédents qui supposaient des populations de particules thermalisées.

Ce que la sonde a découvert : ondes, amortissement et refroidissement lent

Le point principal de cette nouvelle analyse est que le vent solaire ne se contente pas de se dilater et de se refroidir à mesure qu'il s'échappe du Soleil ; il subit au contraire un chauffage continu provenant d'interactions ondes-particules à petite échelle. Les mesures de Parker montrent des anisotropies persistantes et des écarts par rapport à l'équilibre thermique dans la vitesse des ions, et ALPS indique que ces caractéristiques non thermiques permettent l'émission et l'absorption d'ondes à l'échelle ionique. L'absorption de ces ondes par des populations de particules spécifiques transfère de l'énergie aux particules et ralentit le refroidissement qui résulterait autrement d'une simple expansion.

Les scientifiques décrivent la conséquence observable comme un « amortissement » : l'énergie des ondes est convertie en énergie cinétique des particules et redistribuée entre les ions et les électrons. Cet amortissement n'est pas uniforme — il dépend de la géométrie magnétique locale, de la forme des distributions de vitesse et des modes d'ondes présents — et ce chauffage spatialement variable aide à expliquer pourquoi la couronne reste si chaude à proximité du Soleil et comment le vent solaire gagne sa vitesse en se propageant vers l'extérieur.

Impacts pour la météo spatiale, les satellites et l'astrophysique

Il ne s'agit pas seulement de détails ésotériques. Une meilleure compréhension de la manière dont le vent solaire est chauffé et de l'endroit où cela se produit alimente directement les modèles qui prévoient l'évolution des éjections de masse coronale et des tempêtes de particules sur leur chemin vers la Terre. Un traitement plus réaliste des distributions de particules et de l'amortissement modifiera les calculs sur la vitesse et l'énergie que prennent les éruptions solaires lors de leur voyage à travers l'héliosphère. Pour les opérateurs de satellites, de réseaux électriques et de routes aériennes près des pôles, cela peut se traduire par des alertes améliorées et des risques réduits.

Au-delà de l'environnement proche de la Terre, la physique mise au jour là où un engin spatial s'est approché du Soleil plus près que jamais a une portée étendue. Les plasmas chauds et magnétisés sont omniprésents dans l'univers — dans les disques d'accrétion autour des trous noirs, les vents d'autres étoiles et le gaz ténu entre les galaxies. Les mêmes types de processus ondes-particules et de distributions de vitesse non thermiques contrôlent probablement la dissipation d'énergie dans ces systèmes également, de sorte que les leçons de Parker seront intégrées dans les modèles astrophysiques pour les années à venir.

Comment cela change la donne et quelles sont les prochaines étapes

Jusqu'à présent, de nombreux modèles traitaient le vent solaire naissant comme étant approximativement thermique et utilisaient des prescriptions simplifiées pour le chauffage par les ondes. Les nouvelles mesures directes montrent que ces hypothèses négligent d'importants canaux de transfert d'énergie. En combinant les données in situ avec des solveurs comme ALPS, les chercheurs peuvent désormais prédire quelles populations de particules gagnent de l'énergie et à quelles distances radiales — des prédictions qui peuvent être validées par les passages répétés de Parker alors que la sonde échantillonne différentes parties de la couronne tout au long du cycle solaire.

Les prochaines étapes comprennent l'élargissement de l'ensemble des rencontres analysées, la comparaison des données de Parker avec les observations à distance d'autres engins spatiaux, et l'intégration des termes de chauffage affinés dans les modèles héliosphériques mondiaux. Les équipes travaillent déjà à cartographier le « point de non-retour » dans l'atmosphère du Soleil — la limite où le plasma échappe au confinement magnétique du Soleil — et à établir comment l'amortissement et l'absorption des ondes évoluent avec l'activité solaire. À mesure que Parker continue d'abaisser son périhélie, ces cartes gagneront en résolution et en pouvoir prédictif.

Sources