Les éruptions solaires et la reconnexion magnétique solaire sont au centre de deux études passionnantes

Deux études récentes publiées dans The Astrophysical Journal discutent des découvertes concernant les propriétés des éruptions solaires et d'un nouvel indice de classification et du champ magnétique du soleil, en particulier ce qu'on appelle la reconnexion magnétique solaire.
Deux études récentes publiées dans The Astrophysical Journal discutent des découvertes concernant les propriétés des éruptions solaires et d'un nouvel indice de classification et du champ magnétique du soleil, en particulier ce qu'on appelle la reconnexion magnétique solaire.

Ces études pourraient aider les chercheurs à mieux comprendre les processus internes du soleil , en particulier ceux liés à l'activité des éruptions solaires et à la météo spatiale . Universe Today discute ici de ces deux études avec les deux auteurs principaux concernant la motivation derrière les études, les résultats significatifs et les implications sur notre compréhension des éruptions solaires et de la météo spatiale.

La première étude examine de nouvelles perspectives sur les propriétés des éruptions solaires et présente un nouvel indice de classification des éruptions solaires qui s'appuie sur les indices de classification précédents ainsi que sur les avancées scientifiques dans notre compréhension des éruptions solaires. Alors, quelle était la motivation derrière cette étude ?

« Notre intérêt pour cette étude a été inspiré par le travail que mon conseiller, le professeur Adam Kowalski, a effectué au cours de la dernière décennie pour classer les éruptions stellaires à l'aide d'un indice similaire », explique à Universe Today Cole Tamburri, candidat au doctorat au Département des sciences astrophysiques et planétaires de l'Université du Colorado à Boulder (CU Boulder) et auteur principal de l'étude.

« Traditionnellement, les éruptions solaires sont classées en fonction du flux maximal de rayons X mous GOES. Cependant, à mesure que notre compréhension de la physique des éruptions a progressé, nous avons appris qu'il existe une diversité bien plus grande entre les événements d'éruptions que celle prise en compte par le système de classification GOES. Par exemple, deux événements avec la même intensité maximale peuvent se produire sur des périodes de temps très différentes (quelques minutes, voire quelques heures !), ce qui indique des différences significatives dans le mécanisme physique. »

Le système de rayons X mous GOES classe actuellement les éruptions solaires de la plus faible à la plus élevée intensité en utilisant des classes étiquetées A, B, C, M et X. Ces données sont recueillies à partir du système de satellites environnementaux opérationnels géostationnaires (GOES) composé de quatre engins spatiaux actifs actuellement en orbite géosynchrone et exploité par la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) aux États-Unis.

Ces données sont tracées en temps réel sur l'interface de flux de rayons X GOES disponible sur le site Web de la NOAA, où les utilisateurs peuvent observer l'activité solaire en direct tout en visualisant à quelle classe correspondent les éruptions solaires sur le graphique, les données étant mises à jour toutes les 10 minutes.

Pour l'étude, les chercheurs ont cherché à élargir et à améliorer l'indice de classification GOES en mesurant ce qu'on appelle l'impulsivité, que Tamburri appelle une « soudaineté » de libération d'énergie.

Durant une période de quatre ans entre 2010 et 2014, les chercheurs ont obtenu des mesures d’impulsivité à l’aide de l’Observatoire de la dynamique solaire/Expérience sur l’ultraviolet extrême pour 1 368 éruptions solaires, en classant leur impulsivité comme faible, moyenne et élevée. Quels ont donc été les résultats les plus significatifs de cette étude ?

« Au cours de ce projet, nous avons développé et analysé statistiquement l'impulsivité d'un grand nombre d'éruptions dans la ligne ultraviolette extrême 304 Angström », explique Tamburri à Universe Today.

« La reconnexion magnétique est le processus qui se produit lorsque deux structures de champ magnétique orientées de manière opposée interagissent pour former de nouvelles lignes de champ, ce qui entraîne un flux intense d'énergie de la région où la reconnexion se produit, dont nous observons ensuite les effets dans la basse atmosphère solaire sous la forme d'une éruption solaire.

« Nous avons découvert que l'impulsivité, de manière intéressante, a une corrélation assez forte avec le taux maximal de reconnexion magnétique. Cela suggère que les détails du champ magnétique présent pendant une éruption solaire peuvent en effet être liés à l'énergétique de l'éruption elle-même (ampleur et durée). »

Comme indiqué ci-dessus, cette étude s'appuie sur les recherches initiales du Dr Adam Kowalski, qui, comme le souligne Tamburri, a publié une étude de 2013 discutant d'un lien entre les éruptions solaires de classe M et les propriétés stellaires. Ce travail impliquant l'impulsivité a été approfondi par un autre conseiller de Tamburri, le Dr Maria Kazachenko, qui a publié une étude de 2017 discutant d'un nouveau catalogue de propriétés de ruban d'éruption.

Enfin, deux études de 2022 ( Dahlin et al., 2022 et Qiu et al., 2022 ) ont discuté d'un lien potentiel entre l'impulsivité des éruptions solaires et le comportement du champ magnétique du soleil lorsqu'une éruption solaire se produit. Selon Tamburri, l'objectif de cette étude récente était d'approfondir la discussion sur l'impulsivité en échantillonnant de nombreuses éruptions solaires.

En ce qui concerne les travaux futurs, Tamburri a déclaré à Universe Today qu'il y avait trois directions de recherche possibles à partir de maintenant : 1) Élargir l'indice d'impulsivité pour inclure diverses longueurs d'onde puisque cela détermine la précision des éruptions solaires et des mesures d'impulsivité ; 2) Après avoir identifié une longueur d'onde satisfaisante, une comparaison des éruptions solaires aux éruptions stellaires est prévue ; 3) Utiliser des modèles pour simuler et identifier les origines et la physique derrière l'activité d'impulsivité.

Les observations et les études sur les éruptions solaires remontent au milieu du XIXe siècle. La première observation enregistrée d'une éruption solaire a été réalisée par deux astronomes amateurs, Richard Carrington et Richard Hodgson, à l'aide d'un télescope optique. D'autres études ont été réalisées par accident à l'aide d'observations radio effectuées pendant la Seconde Guerre mondiale par des opérateurs radio britanniques en février 1942, et leurs conclusions n'ont été rendues publiques qu'après la fin de la guerre en 1945.

 

Après le début de l'ère spatiale, on a découvert que les télescopes spatiaux seraient les mieux adaptés à l'observation des éruptions solaires, car l'atmosphère terrestre bloque de grandes quantités de rayonnement solaire, ce qui limite les observations au moyen de télescopes au sol. Cela a permis d'observer l'activité solaire presque sans occultation, ce qui a permis de mieux comprendre les éruptions solaires. Par conséquent, quelles implications ce nouvel indice d'impulsivité pourrait-il avoir sur notre compréhension des éruptions solaires ?

« À ce stade, nous ne comprenons pas entièrement la phase initiale rapide et intense (la phase impulsive) d'une éruption », explique Tamburri à Universe Today.

« En fin de compte, une image précise et complète du processus d'éruption doit relier le processus d'éruption dans tous les régimes : le champ magnétique dans la couronne de faible densité, les processus de haute énergie dans la chromosphère dense, et même ce qui se trouve en dessous, dans la photosphère.

« Bien que nous en soyons encore loin, relier ce que nous voyons pendant une éruption solaire à ce que nous pouvons déduire du champ magnétique dans une région active avant, pendant et après un événement peut aider à créer cette image unifiée. »

Les éruptions solaires font partie de la catégorie des phénomènes météorologiques spatiaux, qui correspondent à l'activité à la surface du Soleil qui peut influencer l'activité à la surface de la Terre et en orbite. Bien que cela se traduise souvent par de magnifiques aurores boréales observées aux hautes latitudes nord et sud, ce rayonnement solaire intense peut potentiellement endommager les satellites et les stations électroniques au sol, provoquant des pannes d'électricité et de communication généralisées dans le monde entier.

L'incident le plus vénéré d'activité solaire causant des dommages étendus à la surface de la Terre est connu sous le nom d'événement Carrington, qui s'est produit entre le 1er et le 2 septembre 1859, lors de la tempête solaire la plus intense jamais enregistrée.

Les conséquences ont été des incidents massifs d'étincelles et d'incendies dans les stations télégraphiques du monde entier et des observations d'aurores boréales ont également été signalées dans le monde entier. Par conséquent, quelles implications ce nouvel indice d'impulsivité pourrait-il avoir sur notre compréhension de la météo spatiale et sur la manière de s'en protéger ?

Tamburri explique à Universe Today : « Dans un sens, l'un des véritables dangers des éruptions/tempêtes solaires en ce qui concerne la météo spatiale est l'incertitude concernant les caractéristiques spécifiques d'un événement pendant qu'il se produit - tout comme deux flocons de neige, il n'y a pas deux éruptions solaires exactement identiques ! Il existe encore de nombreuses aléas dans la prévision des éruptions, malgré des décennies de recherche ; même une fois qu'une éruption commence, il est difficile de dire exactement quelle sera son énergie ou combien de temps elle durera.

« Si nous sommes capables de relier clairement l'indice d'impulsivité à des signatures distinctes dans la topologie du champ magnétique (à partir desquelles nous pouvons déduire l'énergie stockée), cela pourrait éventuellement nous en dire un peu plus sur l'intensité à laquelle nous nous attendons à une éruption, en utilisant les connaissances dont nous disposons pour atténuer les effets d'une éruption sur la technologie sur et autour de la Terre. »

Tamburri a déclaré à Universe Today que ce travail a été soutenu par la National Science Foundation à travers le programme DKIST Ambassadors, et qu'il a été administré par le National Solar Observatory et l'Association of Universities for Research in Astronomy, Inc., avec également des remerciements à l'Université du Colorado à Boulder et à la George Ellery Hale Graduate Fellowship.

La deuxième étude examine de nouvelles perspectives sur les propriétés de la reconnexion magnétique solaire, qui est le processus principal lors des tempêtes solaires qui convertit l’énergie magnétique en énergie thermique (chaleur), en énergie cinétique (mouvement) et en accélération des particules.

Si l’étude de ce phénomène pourrait aider les scientifiques à mieux comprendre les mécanismes à l’origine des tempêtes solaires, le manque de données à haute résolution a jusqu’à présent empêché des observations approfondies. Dès lors, quelle est la motivation spécifique derrière cette étude portant sur la reconnexion magnétique solaire ?

Marcel Corchado-Albelo, qui est également doctorant au Département des sciences astrophysiques et planétaires de CU Boulder et auteur principal de l'étude, explique à Universe Today : « Actuellement, nos méthodes de mesure du champ magnétique solaire se limitent généralement à la surface solaire ou à la photosphère, ou dans les rares cas où le champ magnétique a été mesuré à partir de couches atmosphériques solaires supérieures, la mesure manque de cadence temporelle pour suivre l'évolution des processus de reconnexion.

« Par conséquent, les scientifiques ont utilisé des mesures proxy impliquant des rubans de flare pour calculer les propriétés de reconnexion magnétique comme le flux de reconnexion magnétique. »

Corchado-Albelo poursuit : « Des travaux statistiques approfondis ont montré que ces mesures dérivées du ruban d'éruption sont bien corrélées avec d'autres variables d'éruption comme la force de l'éruption solaire. Ces résultats nous ont motivés à examiner comment le flux de reconnexion magnétique solaire a changé au cours du temps pendant les éruptions solaires.

« En examinant le taux de changement du flux de reconnexion magnétique, nous avons découvert qu'un grand nombre d'éruptions présentaient des rafales qui rappellent des caractéristiques oscillatoires complexes que l'on trouve généralement dans les émissions multi-longueurs d'onde, appelées pulsations quasi-périodiques (QPP). »

 

Pour l'étude, les chercheurs ont analysé des données d'imagerie haute résolution provenant d'un ensemble d'éruptions solaires de classe M et de classe X et des analyses statistiques sur 73 éruptions solaires allant de la classe C à la classe X en utilisant une base de données informatique de ruban d'éruptions connue pour déterminer les propriétés du QPP.

Une meilleure compréhension des mécanismes responsables des QPP permettra de mieux comprendre l’énergie et l’activité des éruptions solaires dans l’atmosphère solaire et la relation qu’elles entretiennent avec la reconnexion magnétique solaire.

Les recherches antérieures sur les QPP incluent l'observation des QPP à l'aide du télescope spatial XMM-Newton de l'Agence spatiale européenne, l'examen de leur relation avec les jets récurrents et la réalisation d'analyses complètes des QPP . Par conséquent, quels ont été les résultats les plus significatifs de cette étude ?

« Nos résultats ont montré qu'en effet l'explosion du taux de reconnexion magnétique peut être décrite comme des QPP avec des caractéristiques similaires à celles trouvées dans l'émission de rayons X des mêmes éruptions solaires », explique Corchado-Albelo à Universe Today.

« Ce résultat suggère que le processus par lequel le flux de reconnexion magnétique décrit par les rubans d'éruption est modulé est lié, sinon identique, au processus par lequel les QPP à rayons X sont formés. »

Corchado-Albelo poursuit : « D'autres preuves issues de l'évolution morphologique du ruban d'éruption, lorsque des observations étaient disponibles, suggèrent que le plasma solaire dans la région de reconnexion magnétique (appelée feuille de courant) subit une certaine instabilité du plasma. Nos résultats n'ont pas permis de déterminer quel processus conduit à la co-observation de QPP dans le flux de reconnexion magnétique et l'émission de rayons X. »

Outre la description ci-dessus, la reconnexion magnétique solaire implique également le champ magnétique massif du soleil, également appelé dynamo solaire. Malgré sa taille bien plus grande que le champ magnétique terrestre, son comportement peut être tout aussi erratique, car le champ magnétique terrestre est connu pour subir des variations dues à son interaction avec le vent solaire que le soleil émet quotidiennement. Contrairement à la Terre, la surface du Soleil change constamment car elle est essentiellement une énorme boule de plasma et provoque un comportement encore plus erratique dans son champ magnétique.

Ce comportement se traduit souvent par un enchevêtrement des lignes de champ magnétique du Soleil lorsque celui-ci tourne, et plus particulièrement lorsque sa surface tourne continuellement, ce qui entraîne des taches solaires périodiques et une activité solaire, notamment des éruptions solaires. Par conséquent, quelles implications cette étude pourrait-elle avoir sur notre compréhension du champ magnétique du Soleil ?

« Les résultats de cette étude suggèrent que le plasma contenu dans la région où se produit la reconnexion magnétique lors d'une éruption solaire est impliqué dans une dynamique très complexe », explique Corchado-Albelo à Universe Today.

« Comprendre l’origine de cette dynamique peut nous aider à diagnostiquer les propriétés des champs magnétiques solaires impliqués dans la reconnexion des éruptions. Des propriétés qui pourraient nous aider à contraindre éventuellement la géométrie du champ magnétique en éruption, ainsi que potentiellement la force du champ dans la région de reconnexion.

« Ces propriétés sont d’une grande valeur dans nos efforts pour mieux contraindre nos modèles d’éruptions solaires, et dans les cas où la physique sous-jacente des éruptions solaires est comparable à celle du soleil, des éruptions stellaires. »

Comme la première étude évoquée précédemment, cette recherche correspond à une meilleure compréhension de l’activité des éruptions solaires et de la météo spatiale, cette dernière ayant une influence directe sur les activités spatiales et terrestres, allant des communications à l’électricité.

Une meilleure compréhension de l'activité des éruptions solaires pourrait aider les scientifiques à mieux prévoir la météo spatiale, en particulier parce que le soleil traverse ce que l'on appelle des cycles solaires tous les 11 ans, lorsque le champ magnétique solaire s'inverse, ce qui entraîne une augmentation des taches solaires et d'autres activités solaires, y compris la météo spatiale. Par conséquent, quelles implications cette étude pourrait-elle avoir sur notre compréhension des éruptions solaires et de la météo spatiale ?

Corchado-Albelo explique à Universe Today : « Les QPP dans l'émission de rayons X sont une caractéristique bien connue et courante des éruptions solaires et stellaires. Pourtant, il n'existe pas de consensus complet sur le processus par lequel les QPP de rayons X se forment.

« Nos résultats fournissent une preuve directe que ces QPP sont au moins liés à des processus qui ont modulé l'évolution dynamique des champs magnétiques éruptionux. C'est un pas en avant vers la compréhension des détails reliant la manière dont les particules de plasma dans la région de reconnexion sont accélérées et donnent naissance aux QPP observés dans les éruptions solaires. »

Corchado-Albelo poursuit : « Tous ces détails doivent être reproduits par des modèles d'éruptions afin d'obtenir une représentation réaliste du processus qui se déroule dans le soleil, qui peut ensuite être utilisée pour prévoir les éruptions solaires et leurs propriétés. Il s'agit d'une première étape inestimable pour prévoir la météo spatiale de manière fiable. »

Plus d'informations : Cole A. Tamburri et al., Les relations entre l'impulsivité des éruptions solaires, la libération d'énergie et le développement du ruban, The Astrophysical Journal (2024). DOI : 10.3847/1538-4357/ad3047

Marcel F. Corchado Albelo et al., Déduction des propriétés fondamentales de la nappe de courant d'éruption à l'aide de rubans d'éruption : oscillations dans les taux de flux de reconnexion, The Astrophysical Journal (2024). DOI : 10.3847/1538-4357/ad25f4

Fourni par Universe Today