Découverte des secrets solaires : le prochain maximum solaire résoudra-t-il l’énigme des rayons gamma du soleil ?



Carte de densité codée par couleur des rayons gamma

Depuis octobre 2013 jusqu’à janvier 2015, émis par le Soleil, vidéo reportée par le télescope Fermi-LAT de la NASA. Elle est superposée sur une image en fausses couleurs du Soleil, obtenue en lumière ultraviolette en décembre 2014. Crédits: Arsioli et Orlando 2024 & NASA/SDO/Duberstein

Pendant le dernier maximum solaire, les régions polaires du Soleil étaient notoirement les plus actives en émettant des rayonnements de haute énergie, un phénomène qui reste inexpliqué. Cette découverte a été signalée dans une étude dirigée 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 plus hautes énergies du rayonnement électromagnétique? L’image du Soleil captée en rayons gamma est une vue mortelle, heureusement aveuglée par l’atmosphère terrestre et seulement visible depuis l’espace. Chaque photon transporte un milliard de fois plus d’énergie que son homologue ultraviolet. Comment varie l’émission régulière de rayons gamma du Soleil avec le temps? Et est-il possible de le relier aux périodes d’événements violents que nous observons à la surface de notre étoile?

Une nouvelle étude, publiée dans The Astrophysical Journal, a produit un film compressé de quatorze ans du Soleil observé en 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 lumineux dans les régions polaires. Cette tendance pour la luminosité du Soleil dans les rayons gamma à être dominante aux latitudes les plus élevées est évidente pendant le pic de l’activité solaire, comme cela a pu être observé en juin 2014.

Compréhension de l’émission de rayons gamma

L’étude, dirigée par Bruno Arsioli, de l’Institut d’astrophysique et de 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 briller le Soleil dix fois plus en rayons gamma que les physiciens ne s’y attendaient. Cela pourrait également améliorer les prévisions météorologiques spatiales.

Les rayons gamma solaires sont produits dans le halo de notre étoile et dans les éruptions solaires, mais également émis par sa surface. Ces derniers étaient au centre de cette étude. « Le Soleil est constamment bombardé par des particules se déplaçant à la vitesse de la lumière venant de la Voie lactée dans toutes les directions », explique Bruno Arsioli. « Ces rayons cosmiques sont chargés électriquement et sont déviés par les champs magnétiques du Soleil. Ceux qui interagissent avec l’atmosphère solaire produisent un rayonnement gamma. »

Conception de l’artiste du Télescope spatial Fermi Gamma-ray de la NASA. Fermi scanne le ciel entier toutes les trois heures pendant qu’il orbite autour de la Terre. Crédits: Centre de vol spatial Goddard de la NASA/Chris Smith (USRA)

Les scientifiques pensaient que ces douches avaient des chances égales d’être vues n’importe où sur le disque solaire. Ce travail suggère que les rayons cosmiques pourraient interagir avec le champ magnétique du Soleil et ainsi produire une distribution de rayons gamma qui n’est pas uniforme à toutes les latitudes de notre étoile.

« Nous avons également détecté une différence en énergie entre les pôles », ajoute Bruno Arsioli. « Au pôle sud, il y a un excès d’émissions à plus haute énergie, des photons de 20 à 150 gigaelectronvolts, tandis que la plupart des photons moins énergétiques proviennent du pôle nord. » Les scientifiques n’ont pas encore d’explication à cette asymétrie.

Pendant le maximum du cycle d’activité solaire, il est évident que les rayons gamma sont émis plus fréquemment à des 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 que le dipôle du champ magnétique solaire échange ses deux pôles, un phénomène particulier qui se produit au pic de l’activité solaire, 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, l’INFN et l’Université Stanford, co-auteur de cette étude. « Nous avons démontré une forte corrélation de l’asymétrie dans l’émission gamma du Soleil en coïncidence avec l’inversion du champ magnétique solaire, qui a révélé un lien possible entre l’astronomie solaire, la physique des particules et la physique des plasmas. »

Les données utilisées proviennent de 14 ans d’observations par le satellite de rayons gamma Fermi Large Area Telescope (Fermi-LAT), entre août 2008 et janvier 2022. Cette période a couvert 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 ciel de fond, traversées par la trajectoire apparente du Soleil. Bruno Arsioli et sa collègue Elena Orlando ont mis au point un outil pour intégrer tous les événements de rayons gamma solaires dans une fenêtre de l’ordre de 400 à 700 jours, et cette fenêtre peut couvrir la période de 14 ans. Grâce à cette visualisation, les moments de surabondance polaire sont devenus clairs, ainsi que la disparité énergétique entre le nord et le sud.

« L’étude des émissions de rayons gamma du Soleil représente une nouvelle fenêtre pour investiguer 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? Peut-être y a-t-il des mécanismes supplémentaires générant des rayons gamma qui vont au-delà de l’interaction des rayons cosmiques avec la surface du Soleil. »

Cependant, si l’on se fie aux rayons cosmiques, ils pourraient servir de sonde de l’atmosphère solaire interne. L’analyse de ces observations de Fermi-LAT motive également une nouvelle approche théorique qui devrait tenir compte d’une description plus détaillée des champs magnétiques du Soleil.

La possible connexion entre la production de rayons gamma du 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 élément pour améliorer les modèles physiques qui prédisent l’activité solaire. Ceux-ci sont à la base des prévisions météorologiques spatiales, essentielles pour protéger les instruments des satellites dans l’espace et les infrastructures de télécommunications et autres infrastructures électroniques sur Terre.

Recherche de référence : « Yet Another Sunshine Mystery: Unexpected Asymmetry in GeV Emission from the Solar Disk » de Bruno Arsioli et Elena Orlando, 7 février 2024, The Astrophysical Journal.

DOI: 10.3847/1538-4357/ad1bd2