Télescope en orbite révèle l'énergie magnétique comme source de chaleur clé de l'atmosphère solaire

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 des millions de degrés plus chaude que la surface. Des images du spectrographe d'imagerie de la région d'interface (IRIS) en orbite terrestre et de l'assemblage d'imagerie atmosphérique (AIA) montrent des preuves que des boucles magnétiques basses sont chauffées à des millions de degrés Kelvin.

Des chercheurs de l'Université Rice, de l'Université du Colorado à Boulder et du Centre de Vol Spatial Marshall de la NASA font valoir que les ions plus lourds, tels que le silicium, sont chauffés préférentiellement 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'arquent en continu, pas très différentes de leurs cousines dans la couronne au-dessus. Elles sont beaucoup plus petites et difficiles à analyser, mais on pense depuis longtemps qu'elles abritent le mécanisme entraîné magnétiquement qui libère des rafales d'énergie sous forme de nano-éclairs. Le physicien solaire de Rice, Stephen Bradshaw, et ses collègues étaient parmi ceux qui le soupçonnaient, mais aucun n'avait de preuves suffisantes avant IRIS.

Le spectromètre à haute altitude a été construit spécifiquement pour observer la région de transition. Dans l'étude financée par la NASA, les chercheurs décrivent des « éclaircissements » dans les boucles de reconnexion qui contiennent des signatures spectrales fortes d'oxygène et, surtout, d'ions de silicium plus lourds.

L'équipe de Bradshaw, son ancien étudiant Shah Mohammad Bahauddin, maintenant membre du corps de recherche au Laboratoire de Physique Atmosphérique et Spatiale au Colorado, et l'astrophysicien de la NASA Amy Winebarger ont étudié les images IRIS capables de résoudre les détails de ces boucles de région de transition et de détecter des poches de plasma surchauffé. Les images leur permettent d'analyser les mouvements et températures des ions à l'intérieur des boucles via la lumière qu'ils émettent, lue comme des lignes spectrales qui servent d'« empreintes digitales » chimiques.

« C'est dans les lignes d'émission que toute la physique est imprimée », a déclaré 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. Cela pourrait être un mécanisme ubiquitaire qui opère à travers toute l'atmosphère solaire. »

Les images ont révélé des spectres de points chauds où les lignes étaient élargies par des effets thermiques et Doppler, indiquant non seulement les éléments impliqués dans les nano-éclairs mais aussi leurs températures et vélocités. Aux points chauds, ils ont trouvé des jets de reconnexion contenant des ions de silicium se déplaçant vers (bleu-décalé) et loin de (rouge-décalé) l'observateur (IRIS) à des vitesses allant jusqu'à 100 kilomètres par seconde. Aucun décalage Doppler n'a été détecté pour les ions d'oxygène plus légers.

Les chercheurs ont étudié deux composants du mécanisme : comment l'énergie sort du champ magnétique, et ensuite comment elle chauffe réellement 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 chauffent finalement le plasma, a déclaré Bradshaw. « Les observations IRIS ont montré ce processus en train de se produire et nous sommes raisonnablement sûrs qu'au moins une réponse à la première partie est la reconnexion magnétique, dont les jets sont une signature clé », a-t-il dit.

Dans ce processus, les champs magnétiques des brins de plasma se brisent et se reconnectent aux sites de tressage en états d'énergie plus bas, libérant l'énergie magnétique stockée. Là où cela se produit, le plasma devient surchauffé. Mais comment le plasma est chauffé par l'énergie magnétique libérée est resté une énigme jusqu'à présent. « Nous avons regardé les régions dans ces petites structures de boucles où la reconnexion avait lieu et mesuré les lignes d'émission des ions, principalement silicium et oxygène », a-t-il dit. « Nous avons trouvé que les lignes spectrales des ions de silicium étaient beaucoup plus larges que celles de l'oxygène. »

Cela indiquait un chauffage préférentiel des ions de silicium. « Nous devions l'expliquer », a dit Bradshaw. « Nous avons regardé et réfléchi et il s'avère qu'il y a un processus cinétique appelé chauffage cyclotron ionique qui favorise le chauffage des ions lourds sur les plus légers. » Il a dit que les ondes cyclotron ioniques sont générées aux sites de reconnexion. Les ondes portées par les ions plus lourds sont plus susceptibles à une instabilité qui cause la « rupture » des ondes et génère de la turbulence, qui disperse et énergise les ions. Cela élargit leurs lignes spectrales au-delà de ce qui serait attendu de la seule température locale du plasma. Dans le cas des ions plus légers, il pourrait ne pas y avoir assez d'énergie résiduelle pour les chauffer. « Sinon, ils ne dépassent pas la vitesse critique nécessaire pour déclencher l'instabilité, qui est plus rapide pour les ions plus légers », a-t-il dit.

« Dans le vent solaire, les ions plus lourds sont significativement plus chauds que les ions plus légers », a dit Bradshaw. « Cela a été mesuré définitivement. Notre étude montre pour la première fois que c'est aussi une propriété de la région de transition et pourrait donc persister à travers toute l'atmosphère en raison du mécanisme que nous avons identifié, y compris le chauffage de la couronne solaire, particulièrement puisque le vent solaire est une manifestation de la couronne s'étendant dans l'espace interplanétaire. »

La prochaine question, a dit Bahauddin, est de savoir si de tels phénomènes se produisent au même taux partout sur le Soleil. « Le plus probable, la réponse est non », a-t-il dit. « Alors la question est, combien contribuent-ils au problème du chauffage coronal ? Peuvent-ils fournir suffisamment d'énergie à l'atmosphère supérieure pour qu'elle puisse maintenir une couronne à plusieurs millions de degrés ?