Surprise solaire : des scientifiques découvrent une lumière à haute énergie sans précédent provenant du soleil

Les astrophysiciens révèlent que le soleil émet des rayons gamma avec des énergies plus élevées que jamais mesurées.

• Les rayons gamma perdent de l’énergie dans l’atmosphère terrestre, ce qui signifie qu’ils ne présentent pas d’inquiétude pour la vie. Cela leur permet également d’être découverts par des chercheurs travaillant avec l’Observatoire Cherenkov des eaux à haute altitude, ou HAWC, situé au Mexique.
• « Cela montre que HAWC enrichit notre connaissance de notre galaxie aux énergies les plus élevées et soulève des questions sur notre propre soleil », a déclaré Mehr Un Nisa, chercheur postdoctoral à MSU et auteur correspondant du nouveau rapport.

Parfois, le meilleur endroit pour cacher un secret est en plein jour. Demandez simplement au soleil.

« Le soleil est plus surprenant que nous ne le savions », a déclaré Mehr Un Nisa, associé de recherche postdoctoral à la Michigan State University. « Nous pensions avoir découvert cette étoile, mais ce n’est pas le cas. »

Nisa, qui rejoindra bientôt la faculté de MSU, est l’auteur correspondant d’un nouvel article dans la revue Lettres d’examen physique qui détaille la découverte de la lumière la plus énergétique jamais observée depuis le soleil.

L’équipe internationale à l’origine de la découverte a également découvert que ce type de lumière, connu sous le nom de rayons gamma, est étonnamment brillant. C’est-à-dire qu’il y en a plus que ce que les scientifiques avaient prévu auparavant.

Regarder comme un HAWC

Bien que la lumière à haute énergie n’atteigne pas la surface de la Terre, ces rayons gamma créent des signatures révélatrices qui ont été détectées par Nisa et ses collègues travaillant avec l’observatoire Cherenkov de l’eau à haute altitude, ou HAWC.

Financé par la National Science Foundation et le National Council of Humanities Science and Technology, HAWC est une partie importante de l’histoire. Contrairement à d’autres observatoires, il fonctionne 24 heures sur 24.

« Nous avons maintenant des techniques d’observation qui n’étaient pas possibles il y a quelques années », a déclaré Nisa, qui travaille au Département de physique et d’astronomie du Collège des sciences naturelles.

« Dans ce régime énergétique particulier, d’autres télescopes au sol ne pouvaient pas regarder le soleil car ils ne fonctionnaient que la nuit », a-t-elle déclaré. « Le nôtre fonctionne 24h/24 et 7j/7. »

HAWC : un autre type de télescope

En plus de fonctionner différemment des télescopes conventionnels, HAWC est très différent du télescope typique.

Plutôt qu’un tube équipé de lentilles en verre, HAWC utilise un réseau de 300 grands réservoirs d’eau, chacun rempli d’environ 200 tonnes métriques d’eau. Le réseau est niché entre deux pics volcaniques endormis au Mexique, à plus de 13 000 pieds au-dessus du niveau de la mer.

De ce point de vue, il peut observer les conséquences des rayons gamma frappant l’air dans l’atmosphère. De telles collisions créent ce qu’on appelle des gerbes d’air, qui sont un peu comme des explosions de particules imperceptibles à l’œil nu.

L’énergie du rayon gamma d’origine est libérée et redistribuée parmi de nouveaux fragments constitués de particules de moindre énergie et de lumière. Ce sont ces particules – et les nouvelles particules qu’elles créent en descendant – que HAWC peut « voir ».

Lorsque les particules de douche interagissent avec l’eau dans les réservoirs de HAWC, elles créent ce que l’on appelle le rayonnement Cherenkov qui peut être détecté avec les instruments de l’observatoire.

Recherche pionnière

Nisa et ses collègues ont commencé à collecter des données en 2015. En 2021, l’équipe avait accumulé suffisamment de données pour commencer à examiner les rayons gamma du soleil avec un examen minutieux suffisant.

« Après avoir examiné six années de données, cet excès de rayons gamma est ressorti », a déclaré Nisa. « Quand nous l’avons vu pour la première fois, nous nous sommes dit: » Nous avons définitivement foiré. Le soleil ne peut pas être aussi brillant à ces énergies.

Le soleil émet beaucoup de lumière couvrant une gamme d’énergies, mais certaines énergies sont plus abondantes que d’autres.

Par exemple, grâce à ses réactions nucléaires, le soleil fournit une tonne de lumière visible, c’est-à-dire la lumière que nous voyons. Cette forme de lumière transporte une énergie d’environ 1 électron-volt, qui est une unité de mesure pratique en physique.

Les rayons gamma que Nisa et ses collègues ont observés avaient environ 1 000 milliards d’électron-volts, ou 1 téra-électron-volt, abrégé 1 TeV. Non seulement ce niveau d’énergie était surprenant, mais aussi le fait qu’ils en voyaient autant.

Une histoire de la découverte des rayons gamma

Dans les années 1990, les scientifiques ont prédit que le soleil pouvait produire des rayons gamma lorsque des rayons cosmiques de haute énergie – des particules accélérées par une centrale cosmique comme un trou noir ou supernova – s’écraser en protons dans le soleil. Mais, sur la base de ce que l’on savait sur les rayons cosmiques et le soleil, les chercheurs ont également émis l’hypothèse qu’il serait rare de voir ces rayons gamma atteindre la Terre.

À l’époque, cependant, il n’existait pas d’instrument capable de détecter des rayons gamma de si haute énergie et il n’y en aurait pas avant un certain temps. La première observation de rayons gamma avec des énergies de plus d’un milliard d’électron-volts est venue de Nasadu télescope spatial à rayons gamma Fermi en 2011.

Au cours des années suivantes, la mission Fermi a montré que non seulement ces rayons pouvaient être très énergétiques, mais aussi qu’il y en avait environ sept fois plus que ce que les scientifiques avaient initialement prévu. Et il semblait qu’il restait des rayons gamma à découvrir à des énergies encore plus élevées.

Lorsqu’un télescope se lance dans l’espace, il y a une limite à la taille et à la puissance de ses détecteurs. Les mesures du télescope Fermi des rayons gamma du soleil ont atteint un maximum d’environ 200 milliards d’électron-volts.

La collaboration HAWC

Les théoriciens dirigés par John Beacom et Annika Peter, tous deux professeurs à l’Ohio State University, ont encouragé la collaboration HAWC à jeter un coup d’œil.

« Ils nous ont poussés du coude et ont dit: » Nous ne voyons pas de coupure. Vous pourrez peut-être voir quelque chose », a déclaré Nisa.

La collaboration HAWC comprend plus de 30 institutions en Amérique du Nord, en Europe et en Asie, et une partie importante de celle-ci est représentée par les quelque 100 auteurs du nouvel article. Cela comprend trois Spartiates supplémentaires: l’étudiant diplômé Daniel Salazar-Gallegos, le professeur émérite James Linnemann et Kirsten Tollefson, professeur de physique et d’astronomie et doyen associé à la Graduate School de MSU.

Maintenant, pour la première fois, l’équipe a montré que les énergies des rayons solaires s’étendent dans la gamme des TeV, jusqu’à près de 10 TeV, ce qui semble être le maximum, a déclaré Nisa.

Actuellement, la découverte crée plus de questions que de réponses. Les scientifiques solaires vont maintenant se demander comment exactement ces rayons gamma atteignent des énergies aussi élevées et quel rôle les champs magnétiques du soleil jouent dans ce phénomène, a déclaré Nisa.

En ce qui concerne le cosmos, cependant, cela fait partie de l’excitation. Cela nous dit qu’il y avait quelque chose qui n’allait pas, manquait ou peut-être les deux en ce qui concerne la façon dont nous comprenons notre étoile la plus proche et la plus chère.

« Cela montre que HAWC ajoute à notre connaissance de notre galaxie aux énergies les plus élevées, et cela soulève des questions sur notre propre soleil », a déclaré Nisa. « Cela nous fait voir les choses sous un jour différent. Littéralement. »