Solar Orbiter solves magnetic switchback mystery

Solar Orbiter a réalisé la première observation cohérente par télédétection d’un phénomène magnétique appelé déplacement solaire : changements soudains et importants du champ magnétique du vent solaire. La nouvelle observation fournit une vue complète de la structure, confirmant dans ce cas qu’elle a un caractère en forme de S, comme prévu. De plus, la perspective globale fournie par les données de Solar Orbiter indique que ces champs magnétiques en évolution rapide peuvent provenir près de la surface du Soleil.

Alors que plusieurs engins spatiaux ont déjà survolé ces régions déroutantes, les données in situ ne permettent une mesure qu’en un seul point et à un seul moment. Par conséquent, la structure et la forme de la courbure doivent être déduites des propriétés du champ magnétique et du plasma mesurés en un point.

Lorsque les engins spatiaux germano-américains Helios 1 et 2 ont volé près du Soleil au milieu des années 1970, les deux sondes ont enregistré des inversions soudaines du champ magnétique du Soleil. Ces inversions mystérieuses étaient toujours brusques et toujours temporaires, durant de quelques secondes à plusieurs heures avant que le champ magnétique ne revienne dans sa direction d’origine.

Ces structures magnétiques ont également été testées à des distances beaucoup plus grandes du Soleil par le vaisseau spatial Ulysse à la fin des années 1990. Au lieu d’un tiers du rayon orbital de la Terre par rapport au Soleil, où les missions Helios ont effectué leur passage le plus proche, Ulysse a opéré principalement au-delà de l’orbite terrestre.

Leur nombre a considérablement augmenté avec l’arrivée de la sonde solaire Parker de la NASA en 2018. Cela a clairement indiqué que les inversions soudaines du champ magnétique sont plus nombreuses près du Soleil et ont conduit à suggérer qu’elles étaient causées par des plis en forme de S dans le champ magnétique. . Ce comportement déroutant a valu au phénomène le nom de pushbacks. Diverses idées ont été proposées quant à la façon dont ils pourraient être formés.

Le 25 mars 2022, Solar Orbiter n’était qu’à un jour d’un passage rapproché du Soleil, le plaçant sur l’orbite de la planète Mercure, et son instrument Metis prenait des données. Metis bloque l’éblouissement lumineux de la surface du Soleil et prend des photos de l’atmosphère extérieure du Soleil, connue sous le nom de couronne. Les particules de la couronne sont chargées électriquement et suivent les lignes de champ magnétique du Soleil dans l’espace. Les particules chargées électriquement sont appelées plasma.

Vers 20 h 39 TU, Metis a enregistré une image de la couronne solaire montrant un coude déformé en forme de S dans le plasma coronal. Pour Daniele Telloni de l’Institut national d’astrophysique – Observatoire astrophysique de Turin, en Italie, cela ressemblait étrangement à une courbe solaire.

En comparant l’image de Metis, qui avait été prise en lumière visible, avec une image simultanée prise par l’instrument Extreme Ultraviolet Imager (EUI) de Solar Orbiter, il a vu que le changement de cap candidat avait lieu sur une région active cataloguée comme AR.12972. Les régions actives sont associées aux taches solaires et à l’activité magnétique. Une analyse plus approfondie des données de Metis a montré que la vitesse du plasma sur cette région était très lente, comme on pouvait s’y attendre d’une région active qui n’a pas encore libéré son énergie stockée.

Daniele a immédiatement pensé que cela ressemblait à un mécanisme de génération d’interrupteurs proposé par le professeur Gary Zank de l’Université de l’Alabama à Huntsville, aux États-Unis.La théorie examinait comment différentes régions magnétiques proches de la surface du Soleil interagissaient chacune.

Près du Soleil, et surtout au-dessus des régions actives, il existe des lignes de champ magnétique ouvertes et fermées. Les lignes fermées sont des boucles de magnétisme qui sortent dans l’atmosphère solaire avant de se courber et de disparaître dans le Soleil. Très peu de plasma peut s’échapper dans l’espace au-dessus de ces lignes de champ, de sorte que la vitesse du vent solaire a tendance à être lente ici. Les lignes de champ ouvertes sont à l’inverse, émanant du Soleil et se connectant au champ magnétique interplanétaire du système solaire. Ce sont des autoroutes magnétiques le long desquelles le plasma peut circuler librement et donner naissance au vent solaire rapide.

Daniele et Gary ont montré que les pullbacks se produisent lorsqu’il y a une interaction entre une région de lignes de champ ouvertes et une région de lignes de champ fermées. Au fur et à mesure que les lignes de champ se rejoignent, elles peuvent se reconnecter dans des configurations plus stables. Comme faire claquer un fouet, cela libère de l’énergie et crée une perturbation en forme de S qui se propage dans l’espace, qu’un vaisseau spatial qui passe enregistrerait comme un recul.

Selon Gary Zank, qui a proposé une des théories sur l’origine des courbes : « La première image de Métis que Daniele a montrée m’a presque immédiatement suggéré les caricatures que nous avions dessinées lors de l’élaboration du modèle mathématique d’une courbe. Bien sûr, la première image n’était qu’un instantané et nous avons dû tempérer notre enthousiasme jusqu’à ce que nous ayons utilisé l’excellente couverture de Metis pour extraire des informations temporelles et faire une analyse spectrale plus détaillée des images elles-mêmes. Les résultats se sont avérés absolument spectaculaires !

Avec une équipe d’autres chercheurs, ils ont construit un modèle informatique du comportement et ont constaté que leurs résultats ressemblaient étroitement à l’image de Metis, en particulier après avoir inclus des calculs sur la façon dont la structure s’allongerait lors de sa propagation vers l’extérieur à travers la couronne solaire. .

“Je dirais que cette première image d’un recul magnétique dans la couronne solaire a révélé le mystère de son origine”, déclare Daniele, dont les résultats sont publiés dans un article de The Astrophysical Journal Letters.

En comprenant les reculs, les physiciens solaires peuvent également faire un pas vers la compréhension des détails de la façon dont le vent solaire accélère et s’éloigne du Soleil, car lorsque les engins spatiaux volent autour de courbes, ils enregistrent souvent une accélération localisée du vent solaire.

“La prochaine étape consiste à essayer de lier statistiquement les inversions observées in situ avec leurs régions d’origine sur le Soleil”, explique Daniele. En d’autres termes, faites voler un vaisseau spatial à travers l’inversion magnétique et soyez capable de voir ce qui se passe à la surface du soleil. C’est exactement le genre de science de liaison pour laquelle Solar Orbiter a été conçu, mais cela ne signifie pas nécessairement que Solar Orbiter doit voler autour de la courbe. Il pourrait s’agir d’un autre vaisseau spatial, comme la sonde solaire Parker. Tant que les données sur site et les données de télédétection sont simultanées, Daniele peut effectuer la corrélation.

“C’est exactement le genre de résultat que nous attendions avec Solar Orbiter”, déclare Daniel Müller, scientifique du projet ESA pour Solar Orbiter. “A chaque orbite, nous obtenons plus de données de notre suite de dix instruments. Sur la base de tels résultats, nous ajusterons les observations prévues pour la prochaine rencontre solaire de Solar Orbiter afin de comprendre comment le Soleil se connecte à l’environnement magnétique plus large du système solaire. Il s’agissait du premier passage rapproché du Soleil par Solar Orbiter, nous attendons donc avec impatience de nombreux autres résultats passionnants.”

Le prochain passage rapproché du Soleil par Solar Orbiter, toujours dans l’orbite de Mercure à une distance de 0,29 fois la distance Terre-Soleil, aura lieu le 13 octobre. Plus tôt ce mois-ci, le 4 septembre, Solar Orbiter a effectué un survol assisté par gravité de Vénus pour ajuster son orbite autour du Soleil ; les survols ultérieurs de Vénus commenceront à augmenter l’inclinaison de l’orbite du vaisseau spatial pour accéder à des latitudes plus élevées et à des régions plus polaires du Soleil.

Remarques pour les éditeurs

L’observation d’un recul magnétique dans la couronne solaire par D. Telloni et al est publiée dans The Astrophysical Journal Letters. DOI 10.3847/2041-8213/ac8104

La recherche sera présentée cette semaine au 8e atelier Solar Orbiter à Belfast, en Irlande du Nord.

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