Le plasma circule le long de lignes de champ magnétique fermées dans la couronne qui le ramènent vers la surface solaire, formant des structures qui semblent former une boucle. Crédit : NASA
Les chercheurs de Caltech ont simulé des éruptions solaires et ont découvert que leurs structures ressemblent à des cordes entrelacées. Lorsque ces « cordes » sont surchargées, elles se brisent et émettent des sursauts d’énergie, mettant en lumière le comportement de véritables éruptions solaires.
En simulant des éruptions solaires à l’échelle de la taille d’une banane, des chercheurs du California Institute of Technology (Caltech) ont analysé le processus par lequel ces explosions massives projettent des particules énergétiques et des rayons X potentiellement nocifs dans le cosmos.
Les boucles Corona sont des arches de plasma qui dépassent de la surface du soleil, alignés le long des lignes de champ magnétique. Les lignes de champ magnétique agissent comme des autoroutes pour les particules chargées, guidant le mouvement des électrons et des ions qui composent le plasma. Les boucles, qui peuvent s’étendre à 100 000 kilomètres au-dessus de la surface du soleil, peuvent persister pendant des minutes, voire des heures. Les boucles grandissent et évoluent généralement lentement, mais peuvent parfois projeter brusquement une énorme quantité d’énergie – des milliards de fois plus puissante que la plus puissante explosion nucléaire sur Terre – dans l’espace. Cette soudaine explosion d’énergie s’appelle une éruption solaire.
Une boucle corona simulée dans le Bellan Lab. Crédit : Caltech
Menaces potentielles des éruptions solaires
Une partie de l’énergie contenue dans l’éruption prend la forme de particules chargées et de « rayons X durs », qui sont des ondes électromagnétiques à haute énergie comme celles utilisées pour imager les os dans un cabinet médical. Le champ magnétique et l’atmosphère de la Terre agissent comme un bouclier qui protège la vie à la surface contre la cuisson par ces torrents d’énergie, mais ils sont connus pour perturber les communications et les réseaux électriques. Ils constituent également une menace permanente pour les vaisseaux spatiaux et les astronautes dans l’espace.
Approche de recherche et simulation
Bien que le fait que les éruptions solaires génèrent des particules énergétiques et des sursauts de rayons X soit connu depuis longtemps, les scientifiques commencent seulement à reconstituer le mécanisme par lequel elles le font.
Les chercheurs disposent de deux options pour déchiffrer comment et pourquoi les boucles se forment et changent. La première consiste à observer le soleil et à espérer capturer le phénomène avec des détails suffisamment fins pour fournir des informations pertinentes. La seconde consiste à simuler les boucles en laboratoire. Paul Bellan, professeur de physique appliquée de Caltech, a choisi cette dernière solution.
Une boucle corona simulée dans le Bellan Lab. Crédit : Caltech
Dans un laboratoire situé au premier étage des laboratoires de physique appliquée Thomas J. Watson, Sr., sur le campus de Caltech, Bellan a construit une chambre à vide avec des électrodes jumelles à l’intérieur. Pour simuler le phénomène, il a chargé un condensateur avec suffisamment d’énergie pour faire fonctionner la ville de Pasadena pendant quelques microsecondes, puis l’a déchargé à travers les électrodes pour créer une boucle miniature de couronne solaire.
Chaque boucle dure environ 10 microsecondes et a une longueur d’environ 20 centimètres (cm) et un diamètre d’environ 1 cm. Mais structurellement, les boucles de Bellan sont identiques à la réalité, offrant à lui et à ses collègues la possibilité de les simuler et de les étudier à volonté.
« Chaque expérience consomme autant d’énergie qu’il en faut pour faire fonctionner une ampoule de 100 watts pendant environ une minute, et il ne faut que quelques minutes pour charger le condensateur », explique Bellan, auteur principal d’un nouvel article sur les éruptions solaires. qui a été publié récemment dans la revue Astronomie naturelle. Bellan capture chaque boucle avec une caméra capable de prendre 10 millions d’images par seconde, puis étudie les images obtenues.
Nouvelles découvertes et perspectives
Parmi les découvertes récentes, citons que les boucles de la couronne solaire ne semblent pas être une structure unique, mais plutôt composées de brins fractalement tressés semblables à une grande corde.
« Si vous disséquez un morceau de corde, vous voyez qu’il est constitué de tresses de brins individuels », explique Yang Zhang, étudiant diplômé et auteur principal de l’étude. Astronomie naturelle papier. « Séparez ces brins individuels et vous verrez que ce sont des tresses de brins encore plus petits, et ainsi de suite. Les boucles de plasma semblent fonctionner de la même manière.
Similitudes structurelles entre une éruption solaire réelle (en haut) et une éruption simulée dans le laboratoire de Bellan (en bas). Crédit : Laboratoire Bellan
Il s’avère que cette structure est importante pour la génération de particules énergétiques et de sursauts de rayons X associés aux éruptions solaires. Le plasma est un puissant conducteur électrique – pensez aux enseignes au néon, qui sont remplies de plasma et s’allument lorsque l’électricité passe à travers. Cependant, lorsque trop de courant tente de traverser une boucle de couronne solaire, la structure est compromise. La boucle développe une torsion – une instabilité en forme de tire-bouchon – et les brins individuels commencent à se briser. Chaque nouveau brin cassé décharge alors la pression sur les autres.
« Comme une bande élastique trop tendue, la boucle devient plus longue et plus fine jusqu’à ce que les brins se cassent », explique Seth Pree, chercheur postdoctoral associé en physique appliquée et science des matériaux et co-auteur de l’ouvrage. Astronomie naturelle papier.
Corrélations et recherches futures
En étudiant le processus microseconde par microseconde, l’équipe a noté un pic de tension négatif associé à un sursaut de rayons X à l’instant précis où un brin s’est rompu. Cette pointe de tension s’apparente à la chute de pression qui s’accumule au point de constriction dans une conduite d’eau. Le champ électrique généré par ce pic de tension accélère les particules chargées jusqu’à atteindre une énergie extrême, puis des rayons X sont émis lorsque les particules énergétiques décélérent.
De plus, Zhang a passé au peigne fin des images d’éruptions solaires et a pu documenter une instabilité de torsion similaire à celle créée en laboratoire et associée à un sursaut de rayons X ultérieur.
Ensuite, l’équipe prévoit d’explorer comment des boucles de plasma distinctes peuvent fusionner et se réorganiser dans différentes configurations. Ils souhaitent savoir s’il y a également des événements de sursaut d’énergie lors de ce type d’interaction.
Cette recherche a été financée par la National Science Foundation et l’Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E).
