Les premiers dessins de taches solaires datables sont basés sur les observations solaires de Johannes Kepler avec une chambre noire en mai 1607. Crédit : Kepler, J. 1609, Phaenomenon singulare seu Mercurius in Sole, Thomae Schureri, Lipisiae
En utilisant des méthodes statistiques actualisées et des données historiques, les scientifiques ont réinterprété les dessins des taches solaires de Johannes Kepler, mettant en lumière les cycles solaires avant le minimum de Maunder et le début de l'ère télescopique de l'astronomie.
Des chercheurs ont réexaminé les dessins de taches solaires à moitié oubliés de Johannes Kepler à l'aide de techniques modernes et ont révélé des informations jusqu'alors cachées sur les cycles solaires avant le grand minimum solaire. En recréant les conditions des observations du grand astronome et en appliquant la loi de Spörer à la lumière des statistiques modernes, un groupe collaboratif international dirigé par Université de Nagoya au Japon, des chercheurs ont mesuré la position du groupe de taches solaires de Kepler, le plaçant à la fin du cycle solaire avant le cycle que Thomas Harriot, Galilée et d'autres premiers observateurs télescopiques ont observé plus tard.
Les conclusions du groupe, rapportées dans Lettres de revues astrophysiquesoffrent une clé pour résoudre la controverse sur la durée des cycles solaires au début du XVIIe siècle, qui sont associés à la transition des cycles solaires réguliers au grand minimum solaire, connu sous le nom de minimum de Maunder (1645-1715). Un grand minimum solaire est une période anormalement prolongée de faible activité des taches solaires, ce qui est important pour informer les chercheurs sur l'activité solaire et son effet sur la Terre.
Sur la base des observations de Kepler, les chercheurs ont suggéré la limite entre les cycles solaires −14 et −13 comme indiqué par les lignes rouges, en comparaison avec les reconstructions du nombre de taches solaires (groupe) basées sur les enregistrements de taches solaires dans la courbe bleue (Svalgaard & Schatten, 2016) et les données 14C des cernes des arbres dans la courbe noire (Usoskin et al., 2021) et la courbe verte (Miyahara et al., 2021). La reconstruction des auteurs contredit l'affirmation controversée selon laquelle un cycle solaire extrêmement court et un cycle solaire extrêmement allongé (vert) sont conformes aux cycles solaires réguliers (noir). Crédit : Dr. Hisashi Hayakawa
Les premiers enregistrements instrumentaux de Kepler
Kepler, célèbre pour ses réalisations historiques en astronomie et en mathématiques, a réalisé l'un des premiers relevés instrumentaux datables de l'activité solaire au début du XVIIe siècle, avant les premiers dessins télescopiques de taches solaires. Il a utilisé un appareil connu sous le nom de chambre noire, constitué d'un petit trou dans un mur pour projeter l'image du Soleil sur une feuille de papier, ce qui lui a permis de dessiner les caractéristiques visibles du Soleil.
En mai 1607, il enregistra ce qu'il interpréta à tort comme un transit de Mercure devant le Soleil, plus tard clarifié comme étant l'observation d'un groupe de taches solaires. Les taches solaires sont des zones de la surface du Soleil qui apparaissent plus sombres en raison d'une activité magnétique intense. Leur occurrence, leur fréquence et leur distribution latitudinale apparaissent dans des cycles qui affectent le rayonnement solaire et la météo spatiale.
Hisashi Hayakawa, l’auteur principal de l’étude, estime que les chercheurs ont sous-estimé l’importance de cette découverte. « Comme ce relevé n’était pas une observation télescopique, il n’a été évoqué que dans le contexte de l’histoire des sciences et n’a pas été utilisé pour des analyses quantitatives des cycles solaires au XVIIe siècle », a-t-il déclaré. « Mais il s’agit du plus ancien croquis de tache solaire jamais réalisé à l’aide d’une observation instrumentale et d’une projection. »
Il a poursuivi : « Nous avons réalisé que ce dessin de tache solaire devrait pouvoir nous indiquer l'emplacement de la tache solaire et la phase du cycle solaire en 1607 à condition que nous parvenions à affiner le point et l'heure d'observation et à reconstruire l'inclinaison des coordonnées héliographiques – c'est-à-dire les positions des éléments sur la surface du Soleil – à ce moment-là. »
Un groupe de taches solaires à l'œil nu le 11 mai 2024, photographié par ETH Teague, l'un des auteurs de l'article en question. Crédit : ©︎ ETH Teague
Aperçus critiques sur 17ème Activité solaire du siècle
Ces observations étaient importantes car le XVIIe siècle était une période charnière dans le cycle solaire, non seulement parce que c'était l'époque où les observations des taches solaires venaient de commencer, mais aussi parce que l'activité solaire passait des cycles solaires normaux au minimum de Maunder, un grand minimum solaire unique dans l'histoire de l'observation.
On ne comprend pas entièrement comment le schéma d'activité solaire est passé des cycles réguliers au grand minimum, si ce n'est que la transition a été progressive. L'une des précédentes reconstructions basées sur les cernes des arbres affirmait une séquence composée d'un cycle solaire extrêmement court (≈ 5 ans) et d'un cycle solaire extrêmement long (≈ 16 ans), associant ces durées anormales de cycle solaire à un précurseur de la transition des cycles solaires réguliers au grand minimum solaire.
« Si c’est vrai, cela serait effectivement intéressant. Cependant, une autre reconstruction basée sur les cernes des arbres a indiqué une séquence de cycles solaires de durée normale », a déclaré Hisashi Hayakawa, de l’Université de Nagoya. « Alors, à quelle reconstruction devons-nous faire confiance ? Il est extrêmement important de vérifier ces reconstructions avec des enregistrements indépendants, de préférence observationnels. »
Décrypter les cycles solaires historiques
Les enregistrements des taches solaires de Kepler constituent une référence d'observation essentielle. En analysant les enregistrements de Kepler et en les comparant aux données contemporaines et aux statistiques modernes, les chercheurs ont fait plusieurs découvertes importantes :
Premièrement, après avoir « déprojeté » les dessins des taches solaires de Kepler et compensé l'angle de position solaire, ils ont placé le groupe de taches solaires de Kepler à une latitude héliographique basse. Cela suggère que le célèbre dessin schématique de l'image solaire que Kepler a schématisée dans son livre n'est pas cohérent avec le texte original de Kepler et les deux images de la chambre noire, qui montrent la tache solaire dans la partie supérieure gauche du disque solaire.
Deuxièmement, en appliquant la loi de Spörer et les connaissances acquises à partir des statistiques modernes sur les taches solaires, ils ont identifié le groupe de taches solaires comme étant probablement situé à la fin du cycle solaire -13 plutôt qu'au début du cycle solaire -14.
Troisièmement, leurs résultats contrastent avec les observations ultérieures au télescope, qui montrent des taches solaires à des latitudes plus élevées. « Cela montre une transition typique du cycle solaire précédent au cycle suivant, conformément à la loi de Spörer », a déclaré Thomas Teague, observateur du WDC SILSO et membre de l'équipe, en faisant référence à l'astronome allemand Gustav Spörer qui a décrit une migration de taches solaires des latitudes plus élevées vers les latitudes plus basses au cours d'un cycle solaire.
Quatrièmement, cette découverte permet aux auteurs d'estimer la transition entre le cycle solaire précédent (-14) et le cycle solaire suivant (-13) entre 1607 et 1610, réduisant ainsi les dates possibles de sa survenue. Sur cette base, les enregistrements de Kepler suggèrent une durée régulière pour le cycle solaire-13, ce qui remet en cause les reconstructions alternatives qui proposent un cycle extrêmement long pendant cette période.
Poursuivre l'héritage de Kepler
« L’héritage de Kepler s’étend au-delà de ses prouesses d’observation ; il éclaire les débats en cours sur la transition des cycles solaires réguliers au minimum de Maunder, une période d’activité solaire extrêmement réduite et d’asymétrie hémisphérique anormale entre 1645 et 1715 », a expliqué Hayakawa. « En situant les découvertes de Kepler dans des reconstitutions plus larges de l’activité solaire, les scientifiques obtiennent un contexte crucial pour interpréter les changements de comportement solaire dans cette période charnière marquant une transition des cycles solaires réguliers au grand minimum solaire. »
« Kepler a contribué à de nombreuses références historiques en astronomie et en physique au XVIIe siècle, laissant son héritage même à l'ère spatiale », a déclaré Hayakawa. « Ici, nous ajoutons à cela en montrant que les enregistrements de taches solaires de Kepler sont antérieurs de plusieurs années aux enregistrements télescopiques de taches solaires existants de 1610. Ses croquis de taches solaires témoignent de son sens scientifique et de sa persévérance face aux contraintes technologiques. »
Sabrina Bechet, chercheuse à l’Observatoire royal de Belgique, ajoute : « Comme me l’a dit l’un de mes collègues, il est fascinant de voir les documents laissés par des personnages historiques transmettre des implications scientifiques cruciales aux scientifiques modernes, même des siècles plus tard. Je doute qu’ils aient pu imaginer que leurs documents profiteraient à la communauté scientifique bien plus tard, bien après leur mort. Nous avons encore beaucoup à apprendre de ces personnages historiques, au-delà de l’histoire de la science elle-même. Dans le cas de Kepler, nous nous tenons sur les épaules d’un géant scientifique. »
