Graphique de densité à code couleur des rayons gamma avec des énergies comprises entre 5 et 150 gigaélectronvolts par photon, émis par le Soleil entre octobre 2013 et janvier 2015 et enregistrés par le télescope Fermi-LAT de la NASA. Elle est superposée à une image en fausses couleurs du Soleil en lumière ultraviolette, obtenue avec le Solar Dynamics Observatory de la NASA en décembre 2014. Crédit : Arsioli et Orlando 2024 & NASA/SDO/Duberstein
Lors du dernier maximum solaire, les régions polaires du Soleil ont été notamment les plus actives en émettant des rayonnements de haute énergie, un phénomène qui reste inexpliqué. Cette découverte a été rapportée dans une étude menée par un chercheur de la Faculté des sciences de l’Université de Lisbonne (Ciências ULisboa), au Portugal.
Le Soleil brille intensément dans la lumière visible, mais à quoi ressemble-t-il aux énergies les plus élevées du rayonnement électromagnétique ? L’image du Soleil prise aux rayons gamma est un spectacle mortel, heureusement aveuglé par l’atmosphère terrestre et visible uniquement depuis l’espace. Chaque photon transporte un milliard de fois plus d’énergie que son frère ultraviolet. Comment l’émission régulière de rayons gamma du Soleil varie-t-elle avec le temps ? Et est-il possible de le relier aux périodes d’événements violents dont nous sommes témoins à la surface de notre étoile ?
Une nouvelle étude, publiée dans Le Journal d’astrophysique, a produit un film compressé de quatorze années du Soleil observé dans les rayons gamma, un outil de visualisation qui a révélé que, contrairement à la distribution uniforme attendue de ces photons de haute énergie, le disque solaire peut devenir plus brillant dans les régions polaires. Cette tendance à ce que la lueur du Soleil dans les rayons gamma soit dominante aux latitudes les plus élevées est évidente lors du pic de l’activité solaire, comme on a pu le constater en juin 2014.
Comprendre l’émission de rayons gamma
L’étude, dirigée par Bruno Arsioli, de l’Institut d’astrophysique et des sciences spatiales (IA), au Portugal, et de la Faculté des sciences de l’Université de Lisbonne (Ciências ULisboa), pourrait contribuer à la compréhension du processus encore inconnu qui fait le Soleil brille dix fois plus en rayons gamma que ce que les physiciens prévoyaient. Cela pourrait tout aussi bien éclairer les prévisions météorologiques spatiales.
Les rayons gamma solaires sont produits dans le halo de notre étoile et lors des éruptions solaires, mais également émis par sa surface. Ces dernières ont fait l’objet de cette étude. « Le Soleil est attaqué par des particules proches de la vitesse de la lumière venant de l’extérieur de notre galaxie et dans toutes les directions », explique Bruno Arsioli. « Ces rayons dits cosmiques sont chargés électriquement et sont déviés par les champs magnétiques du Soleil. Ceux qui interagissent avec l’atmosphère solaire produisent une pluie de rayons gamma.
Concept artistique du télescope spatial Fermi Gamma-ray de la NASA. Fermi scrute le ciel entier toutes les trois heures lorsqu’il tourne autour de la Terre. Crédit : Goddard Space Flight Center de la NASA/Chris Smith (USRA)
Les scientifiques pensaient que ces averses avaient les mêmes chances d’être observées n’importe où sur le disque solaire. Ce que ces travaux suggèrent, c’est que les rayons cosmiques pourraient interagir avec le champ magnétique du Soleil et produire ainsi une distribution de rayons gamma qui n’est pas uniforme à toutes les latitudes de notre étoile.
« Nous avons également détecté une différence d’énergie entre les pôles », ajoute Bruno Arsioli. « Au pôle sud, il y a un surplus d’émissions d’énergie plus élevée, de photons de 20 à 150 gigaélectronvolts, tandis que la plupart des photons les moins énergétiques proviennent du pôle nord. » Les scientifiques n’ont pas encore d’explication à cette asymétrie.
Au maximum du cycle d’activité solaire, il est évident que les rayons gamma sont émis plus souvent aux latitudes plus élevées. Ils étaient particulièrement concentrés sur les pôles solaires en juin 2014, lors de l’inversion du champ magnétique solaire. C’est à ce moment-là que le dipôle du champ magnétique du Soleil permute ses deux signes, un phénomène particulier qui se produit au pic de l’activité solaire, une fois tous les onze ans.
Activité solaire et dynamique du champ magnétique
« Nous avons trouvé des résultats qui remettent en question notre compréhension actuelle du Soleil et de son environnement », déclare Elena Orlando, de l’Université de Trieste, de l’INFN et de l’Université de Stanford, et co-auteur de cette étude. « Nous avons démontré une forte corrélation entre l’asymétrie de l’émission solaire des rayons gamma et l’inversion du champ magnétique solaire, ce qui a révélé un lien possible entre l’astronomie solaire, la physique des particules et plasma la physique. »
Les données utilisées proviennent de 14 années d’observations avec le satellite à rayons gamma Fermi Large Area Telescope (Fermi-LAT), entre août 2008 et janvier 2022. Cette période couvrait un cycle solaire complet, d’un minimum à l’autre, avec un pic en 2014. L’un des défis était de démêler les émissions solaires des nombreuses autres sources de rayons gamma dans le fond du ciel, traversé par la trajectoire apparente du Soleil. Bruno Arsioli et sa collègue Elena Orlando ont réalisé un outil permettant d’intégrer tous les événements gamma solaires dans une fenêtre de l’ordre de 400 à 700 jours, et cette fenêtre peut s’étendre sur une période de 14 ans. Grâce à cette visualisation, les moments d’excès polaires sont devenus clairs, ainsi que l’écart énergétique entre le nord et le sud.
« L’étude des émissions de rayons gamma du Soleil représente une nouvelle fenêtre pour étudier et comprendre les processus physiques qui se produisent dans l’atmosphère de notre étoile », explique Arsioli. « Quels sont les processus qui créent ces excès aux pôles ? Il existe peut-être des mécanismes supplémentaires générant des rayons gamma qui vont au-delà de l’interaction des rayons cosmiques avec la surface du Soleil.
Pourtant, si l’on s’en tient aux rayons cosmiques, ils pourraient fonctionner comme une sonde de l’atmosphère solaire interne. L’analyse de ces observations Fermi-LAT motive également une nouvelle approche théorique qui devrait envisager une description plus détaillée des champs magnétiques du Soleil.
Le lien possible entre la production de rayons gamma par le Soleil et ses périodes spectaculaires d’éruptions solaires et d’éjections de masse coronale plus fréquentes, et entre celles-ci et les changements dans la configuration magnétique de notre étoile, pourrait être un ingrédient pour améliorer les modèles physiques qui prédisent le activité solaire. Ceux-ci constituent la base des prévisions météorologiques spatiales, essentielles à la protection des instruments des satellites spatiaux et des télécommunications et autres infrastructures électroniques sur Terre.
« En 2024 et l’année prochaine, nous connaîtrons un nouveau maximum solaire, et une autre inversion des pôles magnétiques du Soleil a déjà commencé. Nous espérons réévaluer d’ici fin 2025 si l’inversion des champs magnétiques est suivie d’un excédent des émissions de rayons gamma des pôles », précise Bruno Arsioli. Elena Orlando ajoute : « Nous avons trouvé la clé pour percer ce mystère, qui suggère les orientations futures à prendre. Il est fondamental que le télescope Fermi fonctionne et observe le Soleil dans les années à venir. »
Mais les rayons gamma solaires ont probablement plus à révéler et nécessitent davantage d’attention. Cette étude maintenant publiée renforcera les arguments scientifiques en faveur de la surveillance continue du Soleil par la prochaine génération d’observatoires spatiaux à rayons gamma. « S’il est établi que les émissions à haute énergie véhiculent réellement des informations sur l’activité solaire, alors la prochaine mission devrait être planifiée pour fournir des données en temps réel sur les émissions de rayons gamma du Soleil », explique Arsioli.
