Résultats controversés : les astrophysiciens repensent les champs magnétiques solaires

Les phénomènes solaires tels que les taches solaires et les éruptions cutanées pourraient être le produit d'un champ magnétique peu profond, selon de nouvelles découvertes surprenantes qui pourraient aider les scientifiques à prédire la météo spatiale.

La surface du soleil est éblouie par des taches solaires et des éruptions cutanées, produits d'un champ magnétique solaire créé par un mécanisme connu sous le nom d'action dynamo. Traditionnellement, les astrophysiciens croyaient que ce champ magnétique se formait au plus profond de l’étoile. Cependant, une étude réalisée par MIT suggère que ces phénomènes pourraient en réalité être façonnés par un processus beaucoup plus superficiel.

Publié aujourd'hui (22 mai) dans la revue Natureles recherches menées par des équipes du MIT, de l'Université d'Édimbourg et d'autres institutions suggèrent que les instabilités au sein des couches les plus externes du Soleil pourraient être responsables de son champ magnétique.

En développant un modèle détaillé de la surface du soleil et en simulant diverses perturbations dans le plasma s'écoulant dans les 5 à 10 pour cent supérieurs du soleil, les chercheurs ont découvert que ces altérations de surface pourraient générer des modèles de champ magnétique qui ressemblent beaucoup à ceux observés par les astronomes. À l’inverse, les simulations des couches plus profondes du Soleil ont donné des représentations moins précises de l’activité solaire.

Champs magnétiques peu profonds

Les résultats suggèrent que les taches solaires et les éruptions cutanées pourraient être le produit d’un champ magnétique peu profond, plutôt que d’un champ provenant plus profondément du soleil, comme les scientifiques l’avaient largement supposé.

« Les caractéristiques que nous voyons lorsque nous regardons le soleil, comme la couronne que de nombreuses personnes ont vue lors de la récente éclipse solaire, les taches solaires et les éruptions solaires, sont toutes associées au champ magnétique du soleil », explique l'auteur de l'étude Keaton Burns, chercheur scientifique à Département de mathématiques du MIT. « Nous montrons que des perturbations isolées près de la surface du soleil, loin des couches plus profondes, peuvent se développer avec le temps pour potentiellement produire les structures magnétiques que nous observons. »

Si le champ magnétique du Soleil provient effectivement de ses couches les plus externes, cela pourrait donner aux scientifiques une meilleure chance de prévoir les éruptions cutanées et les tempêtes géomagnétiques susceptibles d'endommager les satellites et les systèmes de télécommunications.

« Nous savons que la dynamo agit comme une horloge géante avec de nombreuses pièces complexes en interaction », explique le co-auteur Geoffrey Vasil, chercheur à l'Université d'Édimbourg. «Mais nous ne connaissons pas beaucoup de pièces ni comment elles s'assemblent. Cette nouvelle idée sur la façon dont la dynamo solaire démarre est essentielle pour la comprendre et la prédire.

Les co-auteurs de l'étude comprennent également Daniel Lecoanet et Kyle Augustson de Université du nord-ouestJeffrey Oishi du Bates College, Benjamin Brown et Keith Julien de l'Université du Colorado à Boulder et Nicholas Brummell de l'Université de Californie à Santa Cruz.

Dynamique des zones de convection

Le soleil est une boule de plasma chauffée à blanc qui bout à sa surface. Cette région d’ébullition est appelée « zone de convection », où des couches et des panaches de plasma tourbillonnent et s’écoulent. La zone de convection couvre le tiers supérieur du rayon du soleil et s'étend sur environ 200 000 kilomètres sous la surface.

« L'une des idées de base pour démarrer une dynamo est qu'il faut une région où il y a beaucoup de plasma se déplaçant devant d'autres plasmas et où le mouvement de cisaillement convertit l'énergie cinétique en énergie magnétique », explique Burns. « Les gens pensaient que le champ magnétique du soleil était créé par les mouvements tout en bas de la zone de convection. »

Pour déterminer exactement l'origine du champ magnétique solaire, d'autres scientifiques ont utilisé de grandes simulations tridimensionnelles pour tenter de déterminer le flux de plasma à travers les nombreuses couches de l'intérieur du soleil. « Ces simulations nécessitent des millions d'heures sur des installations nationales de calcul intensif, mais ce qu'elles produisent est encore loin d'être aussi turbulent que le soleil réel », explique Burns.

Plutôt que de simuler le flux complexe de plasma dans tout le corps du Soleil, Burns et ses collègues se sont demandés si l'étude de la stabilité du flux de plasma près de la surface pourrait suffire à expliquer les origines du processus dynamo.

Pour explorer cette idée, l'équipe a d'abord utilisé des données du domaine de « l'héliosismologie », où les scientifiques utilisent les vibrations observées à la surface du soleil pour déterminer la structure moyenne et le flux de plasma sous la surface.

« Si vous prenez une vidéo d'un tambour et regardez comment il vibre au ralenti, vous pouvez déterminer la forme et la rigidité de la peau à partir des modes de vibration », explique Burns. « De même, nous pouvons utiliser les vibrations que nous voyons à la surface solaire pour déduire la structure moyenne à l'intérieur. »

Oignon solaire

Pour leur nouvelle étude, les chercheurs ont collecté des modèles de la structure du soleil à partir d'observations héliosismiques. « Ces flux moyens ressemblent en quelque sorte à un oignon, avec différentes couches de plasma tournant les unes sur les autres », explique Burns. « Ensuite, nous nous demandons : y a-t-il des perturbations, ou de minuscules changements dans le flux de plasma, que nous pourrions superposer à cette structure moyenne, qui pourraient se développer pour provoquer le champ magnétique du soleil ? »

Pour rechercher de tels modèles, l'équipe a utilisé le projet Dedalus, un cadre numérique développé par Burns et capable de simuler de nombreux types d'écoulements de fluides avec une grande précision. Le code a été appliqué à un large éventail de problèmes, depuis la modélisation de la dynamique à l’intérieur de cellules individuelles jusqu’aux circulations océaniques et atmosphériques.

« Mes collaborateurs réfléchissent au problème du magnétisme solaire depuis des années, et les capacités de Dedalus ont maintenant atteint le point où nous pourrions le résoudre », explique Burns.

L'équipe a développé des algorithmes qu'elle a incorporés dans Dedalus pour détecter des changements auto-renforcés dans les flux moyens à la surface du soleil. L’algorithme a découvert de nouveaux modèles qui pourraient se développer et donner lieu à une activité solaire réaliste. En particulier, l’équipe a découvert des modèles qui correspondent aux emplacements et aux échelles de temps des taches solaires observées par les astronomes depuis Galilée en 1612.

Les taches solaires sont des caractéristiques transitoires à la surface du soleil qui seraient façonnées par le champ magnétique solaire. Ces régions relativement plus froides apparaissent sous forme de points sombres par rapport au reste de la surface chauffée à blanc du soleil. Les astronomes observent depuis longtemps que les taches solaires se produisent selon un schéma cyclique, augmentant et reculant tous les 11 ans, et gravitant généralement autour de l'équateur plutôt que près des pôles.

Dans les simulations de l'équipe, ils ont découvert que certains changements dans le flux de plasma, dans les 5 à 10 % supérieurs des couches superficielles du Soleil, étaient suffisants pour générer des structures magnétiques dans les mêmes régions. En revanche, les changements dans les couches plus profondes produisent des champs solaires moins réalistes, concentrés près des pôles plutôt que près de l’équateur.

L’équipe était motivée à examiner de plus près les modèles d’écoulement près de la surface, car les conditions y ressemblaient aux flux de plasma instables dans des systèmes totalement différents : les disques d’accrétion autour des trous noirs. Les disques d'accrétion sont des disques massifs de gaz et de poussière stellaire qui tournent vers un trou noirentraîné par « l’instabilité magnéto-rotationnelle », qui génère des turbulences dans l’écoulement et le fait tomber vers l’intérieur.

Burns et ses collègues soupçonnaient qu'un phénomène similaire était à l'œuvre dans le Soleil et que l'instabilité magnétorotationnelle dans les couches les plus externes du Soleil pourrait être la première étape dans la génération du champ magnétique solaire.

Résultats controversés et recherches en cours

«Je pense que ce résultat peut être controversé», hasarde-t-il. « La majeure partie de la communauté s’est concentrée sur la recherche d’une action dynamo au plus profond du soleil. Nous montrons maintenant qu’il existe un mécanisme différent qui semble mieux correspondre aux observations. Burns dit que l'équipe continue d'étudier si les nouveaux modèles de champ de surface peuvent générer des taches solaires individuelles et le cycle solaire complet de 11 ans.

Cette recherche a été soutenue en partie par NASA.