astronomie

L’énigme de la couronne solaire bientôt résolue

Pourquoi la couronne de gaz qui entoure le Soleil est-elle si chaude? Des astronomes sont en passe de résoudre le mystère

Comment se fait-il que la couronne de gaz très chaud entourant le Soleil, qui ne se voit que lors d’éclipses totales et s’étend sur plusieurs millions de kilomètres, ait une température frisant le million de degrés, et que la surface de l’astre, qui est pourtant la source de chaleur, affiche seulement 5700°C? C’est l’un des mystères les plus tenaces en astrophysique que deux astronomes américains ont annoncé, le 9 juillet, avoir résolu.

Cette énigme date de l’éclipse totale de 1869: des chercheurs avaient alors découvert, dans le spectre de la lumière solaire, une raie verte inconnue qu’on a attribuée à la présence d’un nouvel élément potentiel: le coronium. Ce n’est qu’en 1943 que cette raie sera identifiée comme étant celle du fer ionisé (c’est-à-dire dont les atomes ont perdu des électrons) et porté à plus d’un million de degrés.

Pour expliquer cette différence de température, et donc les mécanismes par lesquels la couronne est ainsi si drastiquement chauffée, les astronomes ont d’abord pensé à l’implication d’ondes acoustiques qui guideraient du gaz ionisé de la surface vers cette couronne. Une solution assez rapidement abandonnée, les ondes acoustiques ne pouvant franchir la zone de transition entre la surface et l’atmosphère de l’étoile.

Puis, dès les années 1970, les soupçons ont commencé à se porter sur le puissant champ magnétique solaire: pouvait-il être le vecteur de l’énergie faramineuse acheminée dans la couronne? «Les particules électriquement chargées, telles celles d’un gaz ionisé, suivent indéfectiblement les lignes du champ magnétique, explique Sébastien Galtier, de l’Institut d’astrophysique spatiale à Paris. Il semblait donc logique que le champ magnétique domine toute la dynamique du milieu et dirige le transfert d’énergie.»

Le magnétisme a rapidement donné lieu aux deux théories dominantes aujourd’hui. La première attribue le phénomène de chauffage aux boucles du champ magnétique à la surface du Soleil qui, en claquant comme des fouets, déposent leur énergie dans la couronne. La deuxième, elle, suppose que la chaleur est transmise par des ondes Alfven, du nom de l’astronome suédois qui supposa leur existence en 1942 et pour lesquelles il a obtenu le Prix Nobel de physique en 1970. Ces ondes prennent la forme d’oscillations du champ magnétique. Des oscillations qui entraînent par la même occasion un ballottement du gaz. Ce sont alors les oscillations qui se déplacent et non le gaz lui-même. Un peu comme dans le cas des ondes sonores où c’est l’onde de compression de l’air qui se déplace, non les molécules d’air.

Si les boucles de champ magnétique claquant comme des fouets avaient déjà été observées dans les années 1980, il faudra attendre l’année 2007 pour que des astronomes scrutent pour la première fois des ondes Alfven se propageant sur le Soleil. Restait alors, afin de rendre la deuxième théorie plausible, à démontrer qu’elles pouvaient transmettre de l’énergie à la couronne.

C’est ce que viennent de prétendre Michael Hahn et Daniel Wolf Savin, de l’Université Columbia à New York, en utilisant le spectromètre ultraviolet de la sonde japonaise Hinode lancée en 2006. «C’est très intéressant, c’est la première fois qu’on arrive à prouver que les ondes Alfven libèrent suffisamment d’énergie à basse altitude solaire pour chauffer la couronne, explique Guillaume Aulanier, spécialiste du Soleil à l’Observatoire de Paris. Cela dit, le mystère de la couronne n’est pas complètement résolu pour autant, car on ne connaît pas la nature du mécanisme physique qui permet le transfert de cette énergie.»

Deux hypothèses sont possibles. Soit les ondes Alfven génèrent des chocs dans le gaz ionisé de la couronne et ainsi le chauffent. Soit elles entrent en résonance avec les particules chargées qui tournent autour du champ magnétique et provoquent leur échauffement. «La première idée n’est pas assez efficace et la deuxième ne peut pas se produire à basse altitude, comme le suggère l’article de Savin et Hahn», assure Guillaume Aulanier. Et d’ajouter: «Pour y voir plus clair, il va falloir faire tourner les ordinateurs…»

Si les deux chercheurs américains ont fait un pas en avant dans la résolution de l’énigme de la couronne solaire, ils ne sont pas les seuls. Trois équipes viennent en effet de mettre en évidence des phénomènes qui pourraient également apporter une autre ébauche de solution. La première est chinoise et montre que des filaments de matière d’une centaine de kilomètres de diamètre injectent en permanence des gaz chauds à la base de l’atmosphère solaire. De ces filaments naîtraient des petites boucles de champ magnétique qui se forment à la surface de l’astre à cause des inhomogénéités du gaz.

La deuxième, dirigée par Durgesh Tripathi, astrophysicien à l’Université de Cambridge, évoque également des filaments, mais plus gros, et qui seraient responsables de courants de gaz chaud et ionisé (aussi appelé plasma) filant de la surface à la couronne à 100 km/h.

Quant au troisième groupe, dirigé par le Norvégien Sven Wedemeyer, de l’Institut d’astrophysique théorique d’Oslo, il a mis en évidence de gigantesques cyclones qui transféreraient l’énergie en montant en direction de la couronne.

Si la totalité des mécanismes imaginés offre aux astronomes plus d’énergie qu’il ne leur en faut pour expliquer le chauffage la couronne solaire, l’énigme n’est ainsi pas encore totalement résolue, la question de la transmission de l’énergie restant ouverte. «Parce que le Soleil est l’étoile la mieux connue, on croit que sa physique ne sert qu’à améliorer la précision de résultats déjà bien établis, ironise Guillaume Aulanier. En réalité, c’est une des plus compliquées qui soit. Et si d’immenses progrès ont été faits, nous sommes encore loin de comprendre tout ce qui se passe à la surface notre étoile.»

La question de la transmission de l’énergie du Soleil à la couronne reste ouverte

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