Par une matinée inhabituellement tropicale dans la région de la baie de San Francisco, le sol scintille avec des vagues de chaleur et il est impossible de regarder vers le ciel sans cligner des yeux. Mais la véritable chaleur est dans le laboratoire solaire et d’astrophysique Lockheed Martin à Palo Alto. Là, dans une salle sombre empilée de processeurs informatiques, une vue haute définition du Soleil remplit neuf écrans de télévision réunis pour créer une extravagance solaire de qualité cinéma de sept pieds de large.
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De nouveaux télescopes offrent aux scientifiques une vision sans précédent du Soleil, les aidant à mieux comprendre l'activité solaire
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Le physicien solaire Karel Schrijver saisit des commandes pour démarrer le spectacle: un film accéléré d'une séquence d'explosions qui a ravagé le Soleil le 1er août 2010. "C'est l'un des jours les plus stupéfiants que j'ai jamais vus sur le Soleil", a déclaré Schrijver . Il a regardé notre étoile la plus proche pendant deux décennies.
«Au début, cette toute petite région décide qu'elle n'est pas heureuse», dit-il, évoquant un psychiatre astronomique aux prises avec des névroses solaires. Il pointe une fusée éclairante, un modeste spasme de lumière blanchâtre. «Ensuite, cette région voisine commence à devenir malheureuse et elle s'embrase. Puis un énorme filament éclate et coupe à travers le champ [magnétique] comme un couteau. Nous voyons cet arc de matière incandescente qui se développe avec le temps. Un petit filament sous l'arc dit: "Je n'aime pas ça du tout", et ça devient instable et s'éteint. "
Qui savait que le soleil a tant de personnalité?
En quelques heures - accélérées à quelques minutes dans la reproduction numérisée - une grande partie de son champ magnétique "s'énerve", dit Schrijver, et se réorganise, déclenchant des fusées éclairantes et de vastes érosions de gaz magnétisé. La réaction en chaîne est plus vive que n'importe quelle représentation hollywoodienne. "Lorsque nous montrons ces films à nos collègues pour la première fois", explique Schrijver, "l'expression professionnelle est généralement" Whoa! ""
Le torrent d'images provient du satellite le plus avancé jamais étudié sur le Soleil: le Solar Dynamics Observatory, ou SDO, de la NASA. Lancé en février 2010, SDO regarde l’étoile à 22 300 milles au-dessus de la Terre. L'orbite du satellite le maintient dans une position stable face aux deux antennes radio du Nouveau-Mexique. Toutes les secondes, 24 heures sur 24, SDO envoie 18 mégaoctets de données au sol. Les images haute résolution, ainsi que les cartes des champs magnétiques torturés du Soleil, montrent la genèse des taches solaires et l'origine de leurs éclats.
Ce film solaire devrait fournir de nouvelles informations sur la météo spatiale - les impacts ressentis sur la Terre lorsque les éjections du Soleil se dirigent vers nous. Parfois, le temps est doux. Les éruptions du 1 er août 2010 ont déclenché des manifestations colorées d’aurores boréales au-dessus des États-Unis deux jours plus tard, quand une tempête rapide de gaz chargé a perturbé le champ magnétique de la Terre. Mais lorsque le Soleil se met vraiment en colère, les aurores boréales peuvent signaler des menaces potentiellement invalidantes.
La tempête solaire la plus intense jamais enregistrée a été touchée à l'été 1859. L'astronome britannique Richard Carrington a observé un réseau géant de taches solaires le 1er septembre, suivi de la plus intense éruption jamais rapportée. En moins de 18 heures, la Terre était sous siège magnétique. Des aurores boréales éblouissantes brillaient jusque dans le sud de la mer des Caraïbes et du Mexique, et des câbles à étincelles arrêtaient les réseaux télégraphiques - l'Internet du jour - à travers l'Europe et l'Amérique du Nord.
Une tempête magnétique en 1921 a assommé le système de signalisation des lignes ferroviaires de la ville de New York. En mars 1989, une tempête solaire a paralysé le réseau électrique québécois, privant des millions de clients d’électricité pendant neuf heures. Et en 2003, une série de tempêtes a provoqué des pannes de courant en Suède, détruit un satellite scientifique japonais de 640 millions de dollars et obligé les compagnies aériennes à détourner des vols du pôle Nord à un coût de 10 000 à 100 000 dollars chacun.
Notre société électronique moderne, connectée à l'échelle mondiale, est désormais tellement tributaire de transformateurs éloignés et d'essaims de satellites qu'une explosion importante du Soleil pourrait en détruire une grande partie. Selon un rapport publié en 2008 par le Conseil national de la recherche, une tempête solaire de la taille des événements de 1859 ou 1921 pourrait zapper les satellites, désactiver les réseaux de communication et les systèmes GPS ainsi que les réseaux de friture pour un coût de 1 billion de dollars ou plus.
«L'espace qui nous entoure n'est pas aussi bénin, convivial et adapté à notre technologie que nous l'avions supposé», déclare Schrijver.
En documentant les origines de ces tempêtes avec des détails sans précédent, SDO donne aux chercheurs la meilleure chance de comprendre les capacités destructrices du Soleil. L’objectif est de prévoir la météo dans l’espace - de lire l’ambiance du Soleil suffisamment à l’avance pour que nous puissions prendre des précautions. Le succès dépendra de l'observation de la surface du Soleil pour observer les explosions magnétiques au fur et à mesure de leur développement, de la même manière que les météorologues utilisent un radar pénétrant dans les nuages pour détecter les signes d'une tornade avant que celle-ci ne s'effondre.
Mais pour le moment, l'activité du Soleil est si complexe que ses convulsions déconcertent les meilleurs cerveaux. Lorsqu'on lui a demandé d'expliquer les phénomènes physiques à l'origine de la violence du Soleil, Philip Scherrer, scientifique à l'ODS, de l'Université de Stanford, ne dit pas un mot: «Nous ne savons pas fondamentalement."
Notre étoile-mère est à seulement huit minutes, à la tombée de la lumière. Le Soleil reçoit plus de temps au télescope que n'importe quel autre objet dans l'espace et la recherche est une entreprise mondiale. Le satellite qui a le plus de succès avant SDO, une mission conjointe de la NASA et de l’Agence spatiale européenne appelée Observatoire solaire et héliosphérique (SOHO), renvoie toujours des images du Soleil 15 ans après son lancement. Hinode, un petit explorateur de l'espace, est une collaboration entre le Japon et la NASA qui étudie la manière dont les champs magnétiques du Soleil stockent et libèrent de l'énergie. Et la mission de l'observatoire de relations terrestres solaires (STEREO) de la NASA consiste en deux satellites presque identiques voyageant en orbite terrestre, l'un devant notre planète et l'autre derrière. Les satellites permettent aux scientifiques de créer des images 3D d'éjections solaires. En février dernier, de l'autre côté du Soleil, ils ont pris la première photo de toute la surface du Soleil. Sur le sol, des télescopes situés dans les îles Canaries, en Californie et ailleurs examinent le soleil avec des techniques qui éliminent les effets de flou de l'atmosphère terrestre.
Le Soleil est une boule de gaz en rotation assez grosse pour contenir 1, 3 million de Terre. Son cœur est un four à fusion nucléaire convertissant 655 millions de tonnes d'hydrogène en hélium toutes les secondes à une température de 28 millions de degrés Fahrenheit. Cette fusion crée une énergie qui nous atteint finalement sous forme de lumière solaire. Mais les couches centrale et interne du Soleil sont si denses qu'un photon de l'énergie peut mettre un million d'années à se disputer à deux tiers de la sortie. Là, il atteint ce que les physiciens du soleil appellent la «zone de convection». Au-dessus, il s’agit d’une mince couche que nous percevons comme la surface du Soleil. Les gaz solaires continuent loin dans l’espace au-delà de ce bord visible dans une atmosphère brûlante appelée couronne. Un vent solaire ténu souffle à travers tout le système solaire.
Les choses deviennent particulièrement intéressantes dans la zone convective. Les gyres géants de gaz chargé montent et descendent, comme dans une casserole d'eau bouillante, mais plus turbulente. Le soleil tourne à différentes vitesses: environ une fois tous les 24 jours à son équateur et plus lentement, environ tous les 30 jours, à ses pôles. Cette différence de vitesse coupe le gaz et emmêle ses courants électriques, alimentant ainsi les champs magnétiques du Soleil. Le champ magnétique global a une direction, tout comme les pôles nord et sud de la Terre attirent notre compas. Cependant, le champ du Soleil est plein de courbes et de plis, et tous les 11 ans, il bascule: le pôle nord devient le sud, puis retourne au nord à nouveau onze ans plus tard. C'est un cycle dynamique que les scientifiques ne comprennent pas parfaitement et c'est au cœur de la plupart des efforts déployés pour comprendre le comportement du soleil.
Pendant ces retournements, le champ magnétique profond du Soleil devient vraiment noueux. Il se lève et pique à travers la surface visible pour créer des taches solaires. Ces taches de gaz sombres sont plus froides que le reste de la surface du Soleil parce que les champs magnétiques noués agissent comme des barrières, empêchant une partie de l'énergie du Soleil de s'échapper dans l'espace. Les champs dans les taches solaires ont le potentiel d'exploser. Au-dessus des taches solaires, le champ magnétique du Soleil boucle et tourbillonne à travers la couronne. Ces convulsions enflamment les explosions sur les écrans vidéo de Lockheed à Palo Alto.
Schrijver et son patron, Alan Title, ont travaillé ensemble pendant 16 ans, suffisamment de temps pour compléter leurs phrases respectives. La dernière création de leur groupe, Atmospheric Imaging Assembly - un ensemble de quatre télescopes qui prennent des photos de gaz à des degrés divers dans la couronne - est l'un des trois instruments déployés sur SDO. La NASA le compare à une caméra IMAX pour le soleil.
«Cette bulle de gaz qui s’échappe a 30 fois le diamètre de la Terre et se déplace à un million de kilomètres à l’heure», indique Title, montrant à l’écran un vortex rouge en expansion capturé par SDO peu après le lancement du satellite. Et, note-t-il presque avec désinvolture, il s’agissait d’une éruption assez mineure.
Les champs magnétiques maintiennent les gaz du Soleil dans l'alignement lorsqu'ils se cachent dans l'espace, comme le dit un titre, tout comme un barreau aimanté crée de la propreté dans les dépôts de fer. Plus les champs sont enchevêtrés, moins ils sont stables. Les explosions solaires se produisent lorsque les champs magnétiques s'enclenchent dans un nouveau schéma - un événement que les physiciens appellent «reconnexion».
Une explosion solaire typique expulsée vers la Terre, appelée éjection coronale en masse, pourrait contenir dix milliards de tonnes de gaz chargé parcourant l’espace. «Vous devez imaginer un ensemble de forces suffisant pour lancer toute l’eau du Mississippi à une vitesse 3 000 fois supérieure à celle d’un avion à réaction, en 15 à 30 secondes», déclare-t-il, avant de le laisser couler. “Il n’ya pas de contrepartie à ceci sur la Terre. Nous avons du mal à expliquer ces processus.
Les missions solaires précédentes avaient pris des instantanés flous d’éjections massives de masse coronale. D'autres télescopes effectuaient un zoom avant pour les détails les plus fins mais ne pouvaient se concentrer que sur une infime partie du soleil. La haute résolution de SDO de tout l'hémisphère du Soleil et ses enregistrements de tir rapide révèlent comment la surface et l'atmosphère changent de minute en minute. Certaines caractéristiques sont si inattendues que les scientifiques ne les ont pas encore nommées, comme un motif de gaz semblable à un tire-bouchon que Schrij-ver trace à l’écran avec son doigt. Il pense que c'est un champ magnétique en spirale vu le long de son bord, qui traverse le gaz alors qu'il monte dans l'espace. «C'est comme si [le gaz] était soulevé dans des élingues», dit-il.
Avant la fin de la mission, les scientifiques avaient analysé des centaines d’événements couvrant plusieurs milliers d’heures. Ils ont découvert que les éruptions du 1er août étaient reliées par des «zones de faille» magnétiques couvrant des centaines de milliers de kilomètres.) L'équipe travaille sous pression, de la NASA et d'ailleurs, pour de meilleures prévisions de la météo spatiale.
«Bon Dieu, c'est compliqué», dit Schrijver, qui tourne un film sur l'humeur du soleil un autre jour. "Il n'y a pas de journée tranquille au soleil."
A quelques kilomètres de là, sur le campus de Stanford, le physicien solaire Philip Scherrer se heurte à la même question qui anime le groupe Lockheed Martin: serons-nous en mesure de prédire quand le Soleil va propulser cataclysmiquement des gaz chargés vers la Terre? «Nous aimerions bien évaluer si une région active donnée produira des poussées ou des éjections massives, ou si elle va simplement disparaître», a-t-il déclaré.
Scherrer, qui utilise une liaison descendante par satellite pour la télévision, explique l'impact de la météo spatiale en rappelant un événement survenu en 1997. «Un samedi, nous nous sommes réveillés et tout ce que nous avons vu était du fuzz», explique-t-il. Une éjection de masse coronale avait balayé la Terre la nuit précédente. Le nuage magnétique a apparemment supprimé le satellite Telstar 401 utilisé par UPN et d’autres réseaux.
«J'ai pris ça personnellement, parce que c'était« Star Trek »[je ne pouvais pas regarder]», dit Scherrer avec un sourire ironique. "Si cela s'était passé le matin du Super Bowl, tout le monde l'aurait su."
L’équipe de Scherrer et les ingénieurs de Lockheed Martin ont mis au point l’imageur héliosismique et magnétique SDO, un instrument qui sonde l’intérieur tourbillonnant du Soleil et surveille la direction et la force du champ magnétique, créant ainsi des cartes en noir et blanc appelées magnétogrammes. Lorsque les taches solaires se présentent, les cartes montrent une agitation magnétique à la base des structures cintrées de l'atmosphère du Soleil.
L'instrument mesure également les vibrations à la surface du soleil. Sur Terre, les sismologues mesurent les vibrations de la surface afin de révéler les failles sismiques et les structures géologiques situées très loin dans le sol. Au Soleil, les vibrations ne proviennent pas des tremblements de soleil, mais des pulsations provoquées par les gaz qui montent et descendent à la surface à une vitesse de 700 km / h. Lorsque chaque gaz tombe, il propulse des ondes sonores vers le Soleil et fait trembler toute l'étoile. L'appareil de Scherrer mesure ces vibrations sur le visage du soleil.
Selon Scherrer, l'un des principaux spécialistes de l'héliosismologie, cette science repose sur le fait que les ondes sonores se déplacent plus rapidement sous l'effet de gaz plus chauds, tels que des nœuds turbulents situés loin de la surface qui présagent souvent l'apparition de taches solaires. Les ondes sonores accélèrent également lorsqu'elles se déplacent dans des gaz circulant dans la même direction. Bien que ces mesures créent des cauchemars mathématiques, les ordinateurs peuvent créer des images de ce qui se passe sous la surface du Soleil.
De cette manière, l'équipe de Scherrer peut détecter les taches solaires de l'autre côté du Soleil, plusieurs jours avant leur rotation et avant qu'elles ne soient en position de propulser des particules et des gaz nocifs vers la Terre. Les scientifiques espèrent également repérer les régions actives bouillonnant dans le soleil au moins un jour avant d’être visibles sous la forme de taches solaires.
Ces techniques fournissent des aperçus des attractions à venir. Le défi, selon Scherrer, consiste à trouver les bons signes d’enchevêtrement magnétique qui, comme les images radar d’une tornade en formation, donnent des avertissements fiables. Certains chercheurs se sont intéressés aux formes des champs magnétiques, notant qu'une courbure particulière en forme de S annonçait souvent une explosion. D'autres cherchent à savoir si la force magnétique au centre d'une tache solaire change rapidement, ce qui indique qu'elle pourrait être prête à se rompre.
Scherrer appelle certaines images sur son écran, s'excusant de ce qu'elles ne rivalisent pas avec les films de Lockheed. Les images héliosismiques me rappellent la surface noueuse d'une orange, avec des nodules de gaz remontant à travers toute la sphère du Soleil. Les graphiques magnétiques projettent le soleil dans des tons de gris chiné, mais lorsque Scherrer effectue un zoom avant, les taches noires et blanches se transforment en zones irrégulières. Ce sont les rubans de force magnétique qui pénètrent dans la surface du Soleil en mouvement constant.
Selon Scherrer, lorsque les lignes de champ magnétique se reconnectent très haut dans l'atmosphère du Soleil, «cela ressemble beaucoup à un court-circuit lorsque vous touchez deux fils avec un courant. L'énergie qui circule dans le courant se transforme en chaleur ou en lumière. »Les étincelles soudaines jaillissent le long du champ magnétique et claquent à la surface du Soleil, déclenchant une puissante fusée éclairante.
Le plus puissant des champs magnétiques arqués du Soleil peut piéger des milliards de tonnes de gaz, préparant ainsi le terrain pour des éjections de masse coronale. Lorsqu'une reconnexion magnétique relâche soudainement toute cette tension, le gaz se soulève dans l'espace avec le vent solaire. «C'est comme couper la ficelle d'un ballon à hélium», explique Scherrer.
En étudiant de nombreux événements de ce type, Scherrer pense que ses collègues et lui-même peuvent concevoir un système permettant de classer les chances du Soleil de déclencher une éruption sur Terre. Une échelle qui pourrait aller de «tout va bien» à «prendre des précautions». Il admet les prévisions et il reconnaît également que les prévisions solaires ne peuvent jamais rivaliser avec les prévisions météorologiques terrestres. La prévision solaire nécessite que l’équipe compare l’activité récente sur le Sun avec des modèles informatiques. Mais les modèles sont tellement impliqués que, au moment où l’ordinateur publie une réponse, le Soleil est peut-être déjà sorti ou est resté silencieux.
L’une des plus grandes surprises solaires des 50 dernières années n’est pas quelque chose que le Soleil a fait mais quelque chose qu’il ne fait pas: il n’a pas produit beaucoup de taches solaires pendant la majeure partie de 2008 et 2009. «Nous allions avoir 60, 70, 80, 90 jours sans une seule tache solaire », déclare Tony Phillips, rédacteur scientifique de la NASA, éditeur indépendant de SpaceWeather.com. «Dans la vie des physiciens du solaire, personne n'avait vu cela. Cela a surpris toute la communauté.
Personne ne sait ce qui a causé l'étrange silence. Le champ magnétique profond ne semble apparemment pas se soulever de la manière habituelle, peut-être parce que les courants électriques à l'intérieur du Soleil se sont affaiblis. Certains scientifiques ont émis l'hypothèse que le Soleil était en train de s'éteindre, du moins temporairement. Un groupe de physiciens solaires ont étudié ces changements et ont projeté que l'activité du Soleil pourrait atteindre la moitié de ses récents niveaux au cours de son prochain cycle de taches solaires de onze ans. Cela pourrait avoir des implications mineures pour le changement climatique. Au cours du siècle dernier, l'activité humaine a largement dépassé les modulations du Soleil sur le climat de la Terre. Si la tendance à la baisse de l'activité solaire se poursuit au cours d'un autre cycle du soleil et au-delà, la diminution subtile de l'énergie du soleil pourrait légèrement contrebalancer le réchauffement climatique.
Le soleil devrait atteindre le sommet de son cycle actuel de taches solaires vers la fin de 2013 ou le début de 2014. Mais il n'y a aucune raison de penser qu'un soleil plus calme restera ainsi. «Le plus grand événement de particules et de tempête géomagnétique jamais enregistré» (l'événement de 1859 observé par Carrington) «s'est produit pendant un cycle solaire de la taille de celle que nous projetterons au cours des deux prochaines années», a déclaré Phillips. En outre, une étude récente de Suli Ma et de ses collègues du Centre d’astrophysique Harvard-Smithsonian a montré qu’un tiers des tempêtes solaires frappant la Terre se produisent sans éruptions solaires ni autres signes avant-coureurs. Ces attaques sournoises suggèrent que le soleil peut être dangereux même lorsqu'il semble silencieux.
Il n'y a aucun moyen de protéger la Terre des éruptions du Soleil; de puissantes tempêtes perturberont toujours le champ magnétique de notre planète. Mais les avertissements peuvent limiter leur impact. Les précautions prises consistent notamment à réduire les charges d’énergie pour éviter les surtensions sur les lignes électriques, à placer les satellites en mode sécurisé électronique et, dans le cas de la NASA, à demander aux astronautes de se mettre à l’abri dans les parties les plus fortifiées de leur vaisseau spatial.
Même avec ces mesures, un événement aussi grave que les tempêtes solaires de 1859 ou 1921 aurait des conséquences catastrophiques, déclare le physicien solaire et spatial Daniel Baker de l'Université du Colorado, auteur principal du rapport de 2008 du National Research Council. Selon Baker, les gens deviennent de plus en plus dépendants des technologies de la communication d’ici l’année, ce qui nous rend de plus en plus vulnérables au chaos électromagnétique. «Ces événements [graves] se produisent probablement chaque décennie», dit-il. "Ce n'est qu'une question de temps avant que l'un d'eux nous frappe."
Baker et ses collègues ont exhorté la NASA et l'administration nationale des océans et de l'atmosphère, qui gère le centre de prévision de la météo spatiale à Boulder (Colorado), à mettre au point un système de satellites d'alerte météorologique. Aujourd'hui, le seul instrument capable de déterminer la direction du champ magnétique à l'intérieur d'une éjection de masse coronale approchante - un facteur déterminant pour déterminer la force avec laquelle il interagira avec la Terre - se trouve sur un satellite âgé de 13 ans qui ne peut être remplacé à court terme.
"Le Soleil est une étoile très variable", prévient Baker. «Nous vivons dans son atmosphère extérieure et le cocon cyberélectrique qui entoure la Terre est soumis à ses caprices. Nous ferions mieux de nous en accommoder.
Robert Irion dirige le programme d'écriture scientifique à l'Université de Californie à Santa Cruz.
Une image ultraviolette extrême du soleil. Les régions bleues sont les plus chaudes, à 1, 8 million de degrés Fahrenheit. (NASA / GSFC / AIA) 
Lorsqu'une éjection de masse coronale atteint la Terre, les particules solaires se déplacent le long des lignes du champ magnétique, activent les gaz de l'atmosphère et brillent comme des aurores boréales (au Manitoba). (Federico Buchbinder) 
L'observatoire de la dynamique solaire, présenté ici dans la conception de l'artiste, lancé en 2010, offre une vision sans précédent du soleil. (NASA) 
Une semaine orageuse au soleil a culminé avec des éruptions le 1 er août 2010, qui ont illuminé les aurores boréales au-dessus des États-Unis. (NASA) 
«C'est l'un des jours les plus stupéfiants que j'ai jamais vus sur le Soleil», déclare Karel Schrijver à la suite des éruptions d'août 2010. (John Lee / Aurora Select) 
Les observations de l'observatoire Solar Dynamics révèlent une complexité surprenante à la surface du soleil. Les vents solaires affluent dans l'espace à partir d'un sombre "trou coronal". (NASA) 
Un filament magnétique qui danse dans l’hémisphère sud du Soleil a une longueur d’environ 340 000 milles, soit environ 40% de plus que la distance de la Terre à la Lune. (Didier Favre) 
Une éruption solaire en éruption du soleil trace des boucles magnétiques brillantes. (NASA) 
Philip Scherrer, près de l'observatoire solaire de Stanford, utilise l'héliosismologie et l'imagerie magnétique pour comprendre les structures profondes du Soleil et voir ce qui se passe du côté éloigné de l'étoile, avant que des problèmes potentiels ne deviennent visibles. (John Lee / Aurora Select) 
Une image magnétique du soleil. (NASA) 
Les instruments de l'observatoire Solar Dynamics renvoient des images du soleil dans différentes longueurs d'onde. Une longueur d'onde d'une éjection de masse coronale l'été dernier montre une explosion de rayonnement et de matériau magnétisé en éruption solaire. (NASA) 
Cette longueur d'onde donne une image plus claire de l'onde de choc lorsque l'éruption se propage à la surface du Soleil. (NASA)
