Si vous cuisinez sur une cuisinière à gaz, la nourriture chauffe plus rapidement quand elle est proche de la flamme. Mais dans un semblant de défi à la thermodynamique, cela ne fonctionne pas quand vous parlez du soleil. Alors que la surface solaire est d'environ 10 000 degrés Fahrenheit, l'atmosphère peut atteindre 9 millions de degrés dans sa partie la plus extérieure, appelée couronne, et les scientifiques ont demandé: "Qu'est-ce qui se passe avec ça?" depuis des décennies.
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Maintenant, une équipe de l'École Polytechnique en France pense avoir au moins une partie de la réponse. En utilisant de nouveaux modèles informatiques, ils estiment que la source ultime de la chaleur accablante de la couronne est une "forêt de mangroves" de magnétisme située juste sous la surface que nous voyons, appelée photosphère.
"Tout le monde sait que l'énergie vient d'en bas et nous savons que c'est beaucoup d'énergie", a déclaré le responsable de l'étude, Tahar Amari. La question a été de savoir ce qui crée cette énergie et comment elle se déplace de la surface à la couronne. C'est là qu'intervient le nouveau modèle décrit cette semaine dans Nature .
Le soleil est principalement constitué de plasma, gaz chaud constitué d'atomes dont les électrons ont été éliminés, créant une charge. Lorsque ce type de gaz est en rotation, il agit comme un générateur électrique ou une dynamo. Dans le nouveau modèle, le plasma solaire crée ces dynamos lorsqu'il tourne et tourne. Les dynamos génèrent à leur tour des champs magnétiques capables de stocker de l'énergie. Tout cela se produit dans les 900 premiers kilomètres du soleil, une petite fraction de son rayon de 432 000 milles. Les dynamos ne durent pas longtemps, environ huit minutes en moyenne, mais il suffit qu’elles puissent parfois alimenter des structures plus grandes.
Lorsque les champs magnétiques résultants se tordent, se tournent et se croisent, ils peuvent libérer leur énergie dans un phénomène appelé reconnexion. Placez deux champs ou plus les uns à côté des autres et les pôles de ces champs tentent de créer de nouvelles lignes de champ magnétique avec leurs voisins les plus proches, en modifiant la forme des champs. L'énergie excédentaire est alors expulsée sous forme de chaleur, d'ondes électromagnétiques ou d'énergie cinétique, qui est ensuite pompée dans la chromosphère, la couche s'étendant sur 1 200 milles environ de la photosphère dans une région qui passe dans la couronne.
Selon le modèle, la décharge énergétique engendre des éruptions de plasma dans la chromosphère, qui ressemblent à des ondes sonores se déplaçant dans l'air. Celles-ci sont appelées ondes d'Alfvén, d'après le physicien Hannes Alfvén, qui avait proposé pour la première fois leur existence dans les années 1940. L'énergie des ondes d'Alfvén se dissipe dans la couronne, qui chauffe suffisamment pour atteindre les millions de degrés observés.
Un modèle du champ magnétique complexe qui jaillit de la surface du soleil met en évidence la ressemblance avec les racines et les branches des palétuviers. (Tahar Amari / Centre de physique théorique.CNRS-Ecole Polytechnique.FRANCE) Amari compare l'ensemble du système à une forêt de mangroves. En bas se trouvent les racines qui se rejoignent pour former les troncs des arbres. Le sommet des arbres est l'endroit où l'énergie se dépose. Il a noté que pour obtenir le type de chauffage coronaire que nous voyons, il faut environ 4 500 watts par mètre carré à partir de la surface, et c'est ce que son modèle produit.
Pour le moment, le travail n'est qu'une simulation sur ordinateur et il n'y a pas encore de moyen direct pour observer ce qui se passe, explique Amari. Cependant, les observations indirectes existantes du soleil rendent son modèle plausible. Par exemple, la température coronale ne semble pas varier beaucoup avec le cycle des taches solaires de 11 ans. "Les taches solaires sont sensibles au cycle - ce champ magnétique ne l'est pas", explique Amari. Les taches solaires sont des perturbations magnétiques enracinées plus profondément dans le soleil. Par conséquent, si les deux phénomènes ne sont pas liés, cela conforterait le modèle d'Amari d'un moteur relativement peu profond pour le chauffage coronal.
Un autre facteur est la découverte des tornades solaires, qui montrent que certains phénomènes peuvent transporter de l’énergie de la surface à la chromosphère et à la couronne, renforçant ainsi le modèle. De plus, les observations de la surface solaire montrent que les raies spectrales de certains éléments sont scindées en deux composants ou plus, ce qui se produit s'il existe un champ magnétique local puissant comme celui décrit par le modèle.
L'année dernière, Jeff Brosius, physicien solaire au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, dans le Maryland, a proposé que de minuscules torchères appelées nanoflares soient responsables du chauffage coronaire. Les nanoflares sont causées par d’énormes champs magnétiques qui traversent la couronne. Les lignes de champ magnétique se croisent parfois, créant des nappes de courant qui libèrent de l’énergie sous forme de chaleur.
Bien que les deux versions diffèrent par leurs spécificités, elles ne sont pas nécessairement contradictoires. "Le mécanisme des nanoflars est une question ouverte", déclare Jim Klimchuk, astrophysicien chercheur à Goddard, qui n'a participé à aucune de ces études. "Cela pourrait impliquer la reconnexion des champs magnétiques dans la couronne (le même processus qui crée les mini éruptions d'Amari au-dessous de la surface solaire et qui les fait déposer la majeure partie de leur énergie dans la chromosphère), ou pourrait impliquer la dissipation d'ondes qui sont lancé dans la couronne par le dessous. Je suis sûr que les deux choses se passent. Ce n'est qu'une question de proportion. "
Selon Klimchuk, le nouveau modèle est une étape importante dans la compréhension de ce mystère solaire inquiétant. "A ma connaissance, [les dynamos produisant des éruptions dans la chromosphère] n'ont pas été vus dans d'autres simulations, il sera donc important de déterminer les détails de ce comportement et de vérifier qu'il est correct", dit-il. "Le problème de chauffage chromosphérique et coronal n'est pas résolu, mais ces résultats peuvent fournir des indices importants quant à la voie à suivre."
NOTE DE L'ÉDITEUR: Cet article a été mis à jour pour préciser que les dynamos ont déjà été vus dans les modèles solaires.
