Des scientifiques ont récemment réussi à capturer les images de la surface du Soleil les plus détaillées jamais obtenues, révélées dans une étude parue dans la revue Nature. Ces clichés pourraient offrir des pistes pour comprendre comment la surface de notre étoile génère de la chaleur.
Des astrophysiciens de l’Observatoire solaire national (NSO) du National Science Foundation (NSF) à Boulder, dans le Colorado, ont utilisé le télescope solaire Daniel K. Inouye (DKIST), situé à Hawaï, pour observer des instabilités de Kelvin-Helmholtz (KH), se manifestant sous la forme de tourbillons dynamiques et de bandes près des frontières des cellules convectives sombres et lumineuses.
Lors d’observations antérieures avec moins de détails, ces phénomènes n’avaient pas pu être détectés.
Les instabilités de Kelvin-Helmholtz se produisent lorsque des différences de vitesse apparaissent dans une couche de fluide continu. Bien que ce processus soit bien connu en astrophysique, les nouvelles images fournies par le DKIST constituent la première confirmation de ce phénomène dans la photosphère, la couche visible du Soleil qui émet la majeure partie de sa lumière.
Les structures observées étaient espacées d’environ 65 kilomètres et mesuraient principalement entre 25 et 170 kilomètres. Environ 47 structures tourbillonnantes ont été identifiées.
Le Dr. Friedrich Vogt, chercheur senior au télescope solaire national et l’un des responsables de l’étude, a affirmé : « Nous avons observé des événements à grande échelle sur le Soleil, mais il nous manquait des processus physiques à petite échelle qui font bouger ces événements — les ‘petits moteurs’ qui régulent l’activité solaire. Le télescope Inouye nous offre une image plus claire de ces mécanismes, et les KH pourraient en être l’un d’eux ».
Ces instabilités jouent un rôle crucial dans le développement de la turbulence dans les couches limites de la photosphère et pourraient constituer un moyen efficace de transfert de masse, d’énergie, de momentum et de flux magnétique.
« Cela pourrait résoudre l’une des plus grandes énigmes des cinquante dernières années en physique et astrophysique du Soleil », a ajouté le Dr. David Kuridze, astronomes du groupe de recherche. « Lorsqu’il y a une telle instabilité dans un système, l’énergie se transfère facilement à des échelles plus petites. À un certain moment, elle se dissipe simplement sous forme de chaleur, ce qui peut conduire à la formation de couronnes chaudes et d’atmosphères externes élevées du Soleil et d’étoiles similaires ».
Avec des chercheurs de l’Institut Max Planck, Vogt a utilisé une caméra à grande vitesse, la FastCam, intégrée au télescope, pour capturer ces images. Le système prenait 740 images en niveaux de gris par seconde avec une exposition de 1/10 000 seconde par image, sur un capteur de 2048 x 1024 pixels (environ 2,1 mégapixels).
Les images, qui ont été colorisées en post-traitement, n’étaient pas initialement destinées à mettre en évidence les KH dans la photosphère. L’objectif principal de l’étude était de tester une nouvelle approche pour la collecte de données avec le DKIST, et Vogt a décrit cette découverte comme une « heureuse coïncidence », qui a cependant aidé à déchiffrer l’un des nombreux mystères de notre étoile.
Le télescope Daniel K. Inouye, appartenant au National Science Foundation et situé près du sommet du volcan Haleakalā à Maui, est le plus puissant télescope solaire du monde. Avec un miroir de 4 mètres, il capte sept fois plus de lumière solaire que tout autre télescope, permettant ainsi d’obtenir des images exceptionnellement nettes et détaillées de la photosphère.
Selon les chercheurs, cette découverte pourrait contribuer à résoudre certaines énigmes scientifiques, telles que le problème du chauffage de la couronne. Alors que la température de la surface du Soleil est d’environ 5500 degrés Celsius, celle de son atmosphère externe — la couronne — atteint environ 1 111 093 degrés Celsius, ce qui est environ 200 fois plus élevé.
Ce phénomène suscite des interrogations, car la température devrait diminuer avec l’éloignement de la surface chaude. Les chercheurs proposent l’hypothèse que les effets KH contribuent à chauffer la couronne, et ces nouvelles observations détaillées pourraient les aider à examiner cette question de manière plus approfondie.
Ces découvertes pourraient également aider à expliquer pourquoi le cycle magnétique solaire est si rapide. Les pôles magnétiques du Soleil changent de place tous les 11 ans environ, ce qui est très rapide par rapport aux échelles de temps astronomiques. Pour que ce cycle rapide fonctionne, les champs magnétiques du Soleil doivent être capables de se disperser et de se réorganiser de manière efficace. Or, les modèles actuels peinent à expliquer comment cela se produit. Les KH pourraient être l’élément manquant de cette énigme, car elles dispersent efficacement les champs magnétiques.
À l’aide des données haute résolution du télescope Inouye, les chercheurs prévoient désormais d’utiliser des logiciels informatiques pour détecter et étudier automatiquement les signes de tourbillon causés par les KH. Cela les aidera à évaluer la prévalence de ce phénomène dans la photosphère, ainsi que l’énergie que les KH peuvent transférer à la couronne solaire et leur influence sur la propagation des champs magnétiques dans les couches inférieures de l’atmosphère solaire.
Pour la première fois, les KH furent décrites il y a près d’un siècle et demi, et depuis, elles ont été observées dans l’atmosphère terrestre, les océans, les magnétosphères des planètes, les atmosphères de géantes gazeuses et même dans certains objets astrophysiques tels que les quasars. Sur le Soleil, ces instabilités ont été observées dans les protubérances, les éjections de masse coronale et les jets dans la couronne et la chromosphère. Les modèles théoriques avaient prévu leur existence dans la photosphère, où de nombreux flux de plasma à petite échelle sont présents.
Points à retenir
- Les nouvelles images de la surface solaire pourraient révolutionner notre compréhension des processus thermiques du Soleil.
- Le télescope DKIST a permis d’observer des instabilités de Kelvin-Helmholtz, un phénomène de dynamique de fluides bien connu en astrophysique.
- Cette étude représente une avancée significative dans la capture de mécanismes à petite échelle qui influencent l’activité solaire.
- Les résultats soulignent l’importance des technologies avancées comme le DKIST pour la recherche astronomique.
- La découverte pourrait expliquer le mystère de la température élevée de la couronne solaire.
En tant que passionné par l’astrophysique, cette avancée scientifique est particulièrement stimulante. Elle soulève des questions fondamentales sur nos connaissances actuelles et sur la manière dont chaque nouvelle observation peut transformer notre vision de l’univers. Pouvons-nous vraiment saisir les mécanismes qui régissent notre étoile, ou sommes-nous seulement au début d’un long voyage d’exploration ? La curiosité humaine et le désir de comprendre pourraient bien nous mener à des découvertes encore plus étonnantes à l’avenir.