Les premières images de Solar Orbiter dévoilent des « feux de camp » sur le Soleil
Document de l’ESA du 16 juillet 2020
Les premières images de Solar Orbiter, une nouvelle mission d’observation du Soleil de l’ESA et de la NASA (lancée le 10 février 2020), ont révélé d’omniprésentes éruptions solaires miniatures, surnommées « feux de camp » (« campfires » en anglais), proches de la surface de notre étoile.
D’après les scientifiques aux commandes de la mission, le fait d’avoir vu des phénomènes qui n’étaient pas observables en détail auparavant est un bon indicateur de l’énorme potentiel de Solar Orbiter, qui vient seulement de terminer sa « recette en vol », la phase initiale de vérifications techniques.
« Ce ne sont que les premières images et nous pouvons déjà voir de nouveaux phénomènes intéressants », déclare Daniel Müller, scientifique sur le projet Solar Orbiter à l’ESA. « Nous ne nous attendions pas à ces excellents résultats dès le départ. Nous pouvons aussi apprécier la manière dont nos dix instruments scientifiques se complètent mutuellement pour fournir une image holistique du Soleil et de son environnement ».
Lancé le 10 février 2020, Solar Orbiter embarque six instruments de télédétection, ou télescopes, qui observent le Soleil et son environnement, et quatre instruments in situ qui surveillent l’environnement autour de la sonde. En comparant les données recueillies par ces deux ensembles d’instruments, les scientifiques obtiendront un aperçu de la manière dont est généré le vent solaire, ce flux de particules chargées émis par le Soleil qui influe sur l’ensemble du Système solaire.
La mission Solar Orbiter a un aspect unique : aucun autre véhicule spatial n’a été capable de prendre des images de la surface du Soleil en s’en trouvant aussi proche.
Les images rapprochées du Soleil révèlent un nouveau phénomène
Les premières images du Soleil obtenues par l’instrument EUI de Solar 0rbiter le 30 mai 2020, celles-ci révèlent d’omniprésentes éruptions solaires miniatures, surnommées « feux de camp »
Les feux de camp mis en évidence dans le premier lot d’images ont été observés par l’imageur dans l’ultraviolet extrême (Extreme Ultraviolet Imager – EUI) lors du premier périhélie de Solar Orbiter, le point le plus près du Soleil situé sur l’orbite elliptique de la sonde. La sonde était alors à 77 millions de kilomètres du Soleil, soit environ la moitié de la distance entre le Soleil et la Terre.
« Les feux de camp sont petits en comparaison avec les éruptions solaires géantes que nous pouvons observer depuis la Terre, des millions ou des milliards de fois plus petits », explique David Berghmans de l’Observatoire royal de Belgique (ROB), investigateur principal de l’instrument EUI qui prend des images haute-résolution des couches basses de l’atmosphère du Soleil, également connue sous le nom de couronne solaire. « Le Soleil semble peut-être calme à première vue, mais quand nous regardons en détail nous pouvons voir ces éruptions miniatures partout où nous regardons ».
Les scientifiques ne savent pas encore si ces feux de camp sont juste une version miniature des grosses éruptions ou s’ils sont le résultat de mécanismes différents. Il y a néanmoins déjà des théories stipulant que ces éruptions miniatures pourraient contribuer à l’un des phénomènes les plus mystérieux à propos du Soleil, le chauffage de la couronne solaire.
Dévoiler les mystères du Soleil
L’un des feux de camp nouvellement identifiés dans une image de l’instrument EUI de Solar Orbiter. La cercle en bas à gauche indique la taille de la Terre à la même échelle.
« Ces feux de camp sont totalement insignifiants en eux-mêmes, mais en additionnant leur effet sur l’ensemble du Soleil, ils sont peut-être la principale contribution au chauffage de la couronne solaire, » déclare Frédéric Auchère, de l’Institut d’astrophysique spatiale (IAS), France, co-investigateur principal de EUI.
La couronne solaire est la couche la plus externe de l’atmosphère du Soleil, qui s’étend sur des millions de kilomètres dans l’espace. Sa température est de plus d’un million de degrés Celsius, de plusieurs ordres de grandeur plus chaude que la surface du Soleil, qui n’est « que » de 5.500° C. Après plusieurs décennies d’observations, les mécanismes physiques qui chauffent la couronne solaire ne sont toujours pas complètement compris, et leur identification est considérée comme le « Saint Graal » de la physique solaire.
« Il est évidemment trop tôt pour le dire, mais nous espérons qu’en reliant ces observations aux mesures de nos autres instruments qui ‘sentent’ le vent solaire qui passe à proximité de la sonde nous serons à terme capables d’apporter des réponses à certains de ces mystères », déclare Yannis Zouganelis, scientifique adjoint sur le projet Solar Orbiter à l’ESA.
Observer la face cachée du Soleil
Des vues complémentaires du Soleil et de son atmosphère extérieure (ou couronne), issues des instruments EUI, PHI, Metis et SoloHi
Les premières images de Solar Orbiter dépassent déjà les attentes et révèlent un nouveau phénomène intéressant sur le Soleil.
Cette animation combine un ensemble de vues, prises par plusieurs instruments de Solar Orbiter entre le 30 mai et le 21 juin 2020, alors que la sonde était environ à mi-distance entre le Soleil et la Terre, plus près du Soleil qu’aucun autre télescope précédemment.
Les images jaunes et rouges ont été prises avec l’imageur en extrême ultraviolet (EUI) dans le spectre électromagnétique, dans les longueurs d’onde entre 30 et 17 nanomètres, respectivement. Les gros-plans pris par EUI montrent la haute atmosphère du Soleil (ou couronne), avec une température d’environ un million de degrés. Avec la capacité de voir des détails de seulement 400 km de large, ces images révèlent une multitude de flammes en petites boucles montrant des éruptions de points brillants et de sombres fibrilles mouvantes. C’est une caractéristique omniprésente de la surface solaire, découverte ici pour la première fois dans ces images, a été appelée « feux de camp ». Ce sont des éruptions miniatures généralisées qui pourraient contribuer aux très hautes températures de la couronne solaire et être à l’origine du « vent solaire ».
Les images de EUI sont suivies de trois vues basées sur les données provenant de l’instrument imageur Polarimétrique et Héliosismique (PHI). La vue en bleu et rouge est un « tachogramme » du Soleil, montrant la vitesse de la ligne de visée du Soleil, le bleu vers nous et le rouge au loin. La vue suivante est un « magnétogramme », ou une carte des propriétés magnétiques de l’ensemble du Soleil, dont une grande région, magnétiquement active, dans le quadrant situé en bas et à droite du Soleil. La vue jaune-orangée est une image en lumière visible et représente ce que nous verrions à l’œil nu : il n’y a pas de taches solaires car le Soleil traverse en ce moment une période de faible activité magnétique.
À une plus grande échelle, le coronographe Metis bloque la lumière aveuglante de la surface du Soleil, ce qui permet de voir la plus discrète couronne. Metis observe la couronne simultanément en lumière visible (en vert) et la lumière ultraviolette (en rouge) pour la première fois avec une couverture temporelle et une résolution spatiale sans précédent. Ces images révèlent les deux bandes brillantes équatoriales et les plus discrètes régions polaires, qui sont caractéristiques de la couronne solaire pendant les périodes d’activité magnétique minimales.
Sur de plus grandes échelles encore, le télescope imageur Héliosphérique (SoloHI) prend des images du vent solaire, le courant de particules chargées constamment émis par le Soleil dans l’espace, en capturant la lumière dispersée par les électrons dans ce vent. La première image en lumière visible de SoloHI est située à la fin, comme une mosaïque des 4 images séparées provenant des 4 détecteurs de l’instrument. Dans cette image, le Soleil est situé à droite, et sa lumière est bloquées par une série de déflecteurs ; le dernier d’entre eux est dans le champ de vision sur la partie droite et est illuminé par les réflexions d’un panneau solaire. L’ellipse partielle vue à droite est la lumière zodiacale, créée par la lumière du Soleil reflétant les particules de poussière en orbite autour du Soleil. Le signal du flux du vent solaire est faible, par comparaison avec le signal plus brillant de la lumière zodiacale, mais l’équipe de SoloHI a développé des techniques pour le mettre en évidence. La planète Mercure est également visible (petit point brillant près du bord inférieur de la tuile située en haut à gauche). Solar Orbiter est une mission spatiale conjointe entre l’ESA et la NASA.
L’imageur polarimétrique et héliosismique (Polarimetric and Helioseismic Imager ou « PHI ») est un autre instrument à la pointe de la technologie embarqué à bord de Solar Orbiter. Il fournit des mesures en haute résolution des lignes du champ magnétique à la surface du Soleil. Il est conçu pour surveiller les régions actives du Soleil, des zones où les champs magnétiques sont particulièrement forts et peuvent donnent naissance à des éruptions solaires.
Pendant une éruption solaire, le Soleil libère des rafales de particules énergétiques qui enrichissent le vent solaire, ce flux constant que notre étoile éjecte dans l’espace dans toutes les directions. Quand ces particules interagissent avec la magnétosphère terrestre, elles peuvent engendrer des orages magnétiques qui peuvent perturber les réseaux de télécommunications ainsi que les réseaux terrestres de distribution d’électricité.
Le Soleil et ses propriétés magnétiques observés par l’instrument PHI de Solar Orbiter
L’imageur polarimétrique et héliosismique (Polarimetric and Helioseismic Imager ou « PHI ») mesure le champ magnétique près de la surface du Soleil et permet l’investigation de l’intérieur du Soleil via la technique de l’héliosismologie. Dans ces images, PHI révèle toute l’ampleur des informations qu’il peut trouver. L’image en haut à gauche a été prise le 18 juin 2020 en utilisant le télescope « disque entier » de PHI. Cela nous montre le Soleil tel qu’il serait vu à l’œil nu. En ce moment, notre étoile est calme sur un plan magnétique, ce qui fait qu’il n’y a pas de taches solaires visibles. Ce qui ne veut pas dire qu’il n’y a aucun champ magnétique qui passe à la surface ou dans l’atmosphère du Soleil.
L’image en bas à gauche a été prise le 28 mai 2020 avec le télescope haute-résolution PHI. C’est un magnétogramme qui s’étend sur une zone d’environ 200.000 km de côté sur la surface solaire. Les petites structures qu’on voit sont des régions magnétiques où l’on voit des petites structures qui sont des régions magnétiques de polarités nord et sud, dont certaines ont la taille de quelques milliers de km.
L’image en bas à droite montre une extrapolation du champ magnétique émanant des structures magnétiques de la haute atmosphère du Soleil, venant des images télescopiques d’EUI.
L’image en haut à droite montre l’apparence visible de cet endroit de la surface solaire. Le motif granuleux représente les courants montants et descendants de gaz chaud et chargé, connu sous le nom de « plasma », qui se produit sous la surface du Soleil.
« Nous sommes en ce moment dans une période très calme du cycle solaire, lui-même d’une durée de onze ans », déclare Sami Solanki, directeur de l’Institut Max-Planck de recherche sur le Système solaire et investigateur principal de PHI. « Mais puisque Solar Orbiter observe le Soleil avec un angle différent de celui de la Terre, nous avons en fait pu observer une région qui n’était pas visible depuis la Terre. C’est une première. Nous n’avons jamais été capables de mesurer le champ magnétique à l’arrière du Soleil ».
Les magnétogrammes, qui montrent les variations de la force du champ magnétique solaire à la surface du Soleil, pourront ensuite être comparés avec les mesures effectuées par les instruments in situ.
« L’instrument PHI mesure le champ magnétique à la surface ; nous voyons des structures dans la couronne solaire avec EUI, mais nous essayons aussi de déduire les lignes du champ magnétique qui se prolongent dans le milieu interplanétaire, où se trouve Solar Orbiter », déclare Jose Carlos del Toro Iniesta, co-investigateur principal de l’instrument PHI à l’Institut d’astrophysique d’Andalousie, Espagne.
Attraper le vent solaire
Combiner les observations par télédétection de SPICE avec les mesures in situ de SWA
Solar Orbiter embarque six instruments de télédétection, ou télescopes, qui observent le Soleil et son environnement, et quatre instruments in situ qui surveillent l’environnement autour de la sonde qui échantillonnent les propriétés du vent solaire autour de la sonde. Le vent solaire est un épanchement de particules animé par le magnétisme issu de l’atmosphère externe du Soleil, la couronne. Les particules sont des atomes chargés électriquement et des électrons qui produisent ce que les physiciens appellent un plasma. En combinant les données des instruments de télédétection et des instruments in situ, nous obtiendrons un tableau plus complet de la manière dont les évènements énergétiques sur le Soleil modifient le vent solaire.
L’infographie montre une image Du disque solaire complet pris par l’instrument EUI (Extreme Ultraviolet Imager) en haut à gauche, en même temps qu’avec des données de télédétection venant de l’instrument SPICE (Spectral Investigation of the Coronal Environment) et l’instrument in situ SWA (Solar Wind Analyser).
L’image et les graphiques à droite de l’image de l’EUI montre le premier spectre capturé le 21 avril 2020 par SPICE. L’image montre la distribution de l’émission d’ions carbone dans cette petite région de l’atmosphère du Soleil à des températures d’environ 50.000 K. Le graphe montre les spectres en ultraviolet, révélant une vaste gamme d’atomes ionisés dont de l’hydrogène, du carbone, du néon, de l’oxygène et du fer, qui peuvent être identifiés par leur empreinte unique dans le spectre. Ces ions se forment à des températures entre 10,000 et un million de Kelvin.
Le graphe coloré sous les images montre les premières mesures scientifiques faites par le SWA Heavy Ion Sensor, [ou capteur d’ions lourds] (HIS), qui échantillonne le vent solaire autour de la sonde. Les données en ont été recueillies le 11 mai 2020. Le capteur est capable de déterminer, entre autres caractéristiques, le rapport entre l’énergie d’une particule à sa charge, et sa vitesse sur une distance connue par l’instrument, donnée par le temps nécessaire pour parcourir cette distance.
Ces données ont été places sur le graphe en même temps que les courbes théoriques attendues de ces ions, qui sont codées par des couleurs identiques à celles des ions dans la légende. Les taches de couleur représentent le nombre de particules (jaune = beaucoup et bleu = peu) qui entrent dans l’instrument avec chaque caractéristique et indiquant ainsi leur relative abondance dans le vent solaire qui passe devant la sonde.
Au travers de comparaisons avec les mesures de la composition de la couronne faites par l’instrument SPICE, ces données SWA-HIS vont appuyer l’établissement d’un lien entre le vent solaire qui passe près de la sonde et sa source d’origine sur le Soleil.
Les quatre instruments in situ de Solar Orbiter caractérisent ensuite les lignes du champ magnétique, ainsi que le vent solaire lorsqu’il passe à côté de la sonde.
Christopher Owen, du Laboratoire de science spatiale Mullard de l’University College de Londres, investigateur principal de l’analyseur de vent solaire in situ (Solar Wind Analyser – SWA), ajoute : « Nous pouvons estimer avec ces informations où a été généré le vent sur le Soleil, et utiliser ensuite la suite complète d’instruments de la mission pour révéler et comprendre les processus physiques à l’œuvre dans les différentes régions du Soleil qui sont à l’origine de la formation du vent solaire ».
« Nous sommes tous très excités suite à ces premières images, mais ce n’est que le début », ajoute Daniel Müller. « Solar Orbiter a entamé un grand tour du Système Solaire, et il reviendra beaucoup plus près du Soleil dans moins de deux ans. A terme, il s’approchera au plus près à 42 millions de kilomètres, soit près d’un quart de la distance Terre – Soleil ».
« Les premières données démontrent déjà la puissance d’une collaboration réussie entre deux agences spatiales, et l’utilité d’un ensemble diversifié d’images pour éclaircir certains des mystères du Soleil », commente Holly Gilbert, directrice de la division des sciences héliophysiques de la NASA et scientifique sur le projet Solar Orbiter à la NASA.
Un portrait de famille des premières images et données des 10 instruments de Solar Orbiter
La sonde Solar Orbiter de l’ESA, emporte une suite de dix instruments qui travaillent ensemble pour fournir une image cohérente de l’activité solaire et comment celle-ci se propage dans notre grand système solaire, dont les particules qui se propagent dans le système solaire, tel que le vent solaire.
Pour étudier ces phénomènes, les instruments sont regroupés en deux familles : les instruments in situ et les instruments de télédétection. Ce graphique résume les premières images et les premières données obtenues par tous les instruments lors de la phase préliminaire de la mission. Elles comprennent quelques-unes des premières images de certains instruments, obtenues entre mai et juin 2020.
Les instruments de télédétection font directement face au Soleil, ou légèrement sur un côté pour voir la surface du Soleil et son atmosphère externe, la couronne, tandis que les instruments in situ mesurent le vent solaire qui s’écoule le long de la sonde. Ce sont :
- L’imageur en extrême ultraviolet EUI (Extreme Ultraviolet Imager) qui fournit des images de la transition entre la partie basse de l’atmosphère du Soleil, jusqu’à la base de la couronne solaire.
- Le coronographe Metis bloque la lumière de la surface solaire, pour que la faible atmosphère externe du Soleil puisse être vue.
- L’analyseur de vent solaire (Solar Wind Analyser [SWA]) caractérise les propriétés principales du vent solaire, dont l’ensemble des propriétés de ses particules, comme la densité, la vitesse et la température.
- L’instrument SPICE (Spectral Imaging of the Coronal Environment ou Imageur spectral de l’environnement de la couronne) étudie la couronne située en face du disque solaire.
- L’instrument détecteur de particules énergétiques (Energetic Particle Detector [EPD]) mesure la composition, le timing et d’autres propriétés des particules énergétiques venant des éruptions solaires.
- Le Magnétomètre (MAG) mesure le champ magnétique du vent solaire qui s’écoule près de la sonde.
- L’imageur polarimétrique et héliosismique (Polarimetric and Helioseismic Imager [PHI]) mesure le champ magnétique à la surface du Soleil et permet d’étudier l’intérieur du Soleil grâce à le technologie de l’hélioseismologie.
- Le télescope et spectrometer en rayons-X (X-ray Spectrometer/Telescope [STIX]) étudie les émissions solaires en rayons-X, qui proviennent essentiellement les particules qui sont des électrons accélérés et les protubérances solaires.
- L’instrument imageur héliosphérique (Heliospheric Imager [SoloHI]) prend des clichés des perturbations du vent solaire, ce qui permet de suivre la trace des éruptions géantes que sont les éjections de masse coronale quand elles sortent du Soleil.
- L’instrument Ondes radio et vagues de plasma (Radio and Plasma Waves [RPW]) mesure les champs magnétiques et électriques pour déterminer les mouvements de ces vagues ainsi que leurs interactions avec les particules chargées du vent solaire.
Solar Orbiter est une mission spatiale de collaboration internationale entre l’ESA et la NASA. Dix-neuf États membres de l’ESA (l’Allemagne, l’Autriche, la Belgique, le Danemark, l’Espagne, la Finlande, la France, la Grèce, l’Irlande, l’Italie, le Luxembourg, la Norvège, les Pays-Bas, la Pologne, le Portugal, la République tchèque, le Royaume-Uni, la Suède et la Suisse) ainsi que la NASA ont contribué à la charge utile scientifique et/ou à la construction de la sonde. Le satellite a été construit au Royaume-Uni par le maître d’œuvre, Airbus Defence and Space.
Quelques images supplémentaires de cette première “moisson” de Solar Orbiter :
Un gros plan pris avec le télescope haute-résolution imageur polarimétrique et héliosismique (PHI) le 28 mai 2020. La zone de l’image fait à peu près 200.000 km de côté et est centrée au milieu du Soleil. Elle montre l’aspect granuleux du Soleil qui résulte des mouvements de plasma chaud sous la surface visible de notre astre.
L’image montre un magnétogramme pris par le télescope haute-résolution imageur polarimétrique et héliosismique (PHI) le 28 mai 2020. La zone de l’image fait à peu près 200.000 km de côté et est centrée au milieu du Soleil. Les petites structures visibles sont des régions magnétiques de polarités nord et sud, dont certaines ont une taille d’environ 1.000 km.
Cette animation montre 5 vues du Soleil prises avec les instruments imageur en extrême ultraviolet (EUI) et le télescope haute-résolution imageur polarimétrique et héliosismique (PHI). Les deux premières vues ont été prises avec le FSI (imageur du Soleil entier) au long de la semaine qui a suivi le 30 mai 2020. L’image jaune montre l’atmosphère externe du Soleil, la couronne ; qui a une température de surface d’environ 1 million de degrés. L’image rouge montre la région de transition du Soleil, qui est une interface entre les couches basses et hautes de l’atmosphère solaire. Dans cette région, qui n’est épaisse que de 100 km, la température s’élève d’un facteur 100 pour atteindre 1 million de degrés. Les images 3, 4 et 5 sont basées sur des données de PHI le 18 juin 2020. La troisième est un « tachogramme » du Soleil qui montre la ligne de sa vélocité visible, avec le côté bleu venant vers nous alors que le côté rouge s’en éloigne. La quatrième est un magnétogramme, ou une carte du magnétisme total du Soleil. La cinquième est prise en lumière visible, qui montre le Soleil tel que nous le verrions à l’œil nu. Il n’y pas de taches solaires en raison de la très faible activité solaire en ce moment.
L’image montre une carte des propriétés magnétiques de la totalité du Soleil, basée sur les données du PHI, prises le 18 juin 2020. On y voit une vaste région, magnétiquement active, sur la partie inférieure droite de l’image.
Cette image a été prise par le télescope haute-résolution imageur polarimétrique et héliosismique (PHI) le 18 juin 2020. C’est une image en lumière visible qui représente ce que verrait l’œil humain. Il n’y pas de taches solaires en raison des bas niveaux de l’activité magnétique solaire en ce moment.
Une image de la couronne solaire, prise par l‘instrument Metis de Solar Orbiter. C’est la toute première image de cet instrument, prise le 15 mai 2020, prise dans les longueurs d’onde visibles entre 580 et 640 nanomètres. Elle montre deux brillants courants équatoriaux et des régions polaires plus pâles qui sont caractéristiques de la couronne solaire en période de basse activité, ce qui est le cas en ce moment.
Une image de la couronne solaire, prise par l‘instrument Metis de Solar Orbiter, réalisée le 21 juin 2020, peu de temps après le passage de la sonde au périhélie, et qui a été prise en lumière ultraviolette (121,6 nm). Elle montre aussi (comme la précédente) deux brillants courants équatoriaux et des régions polaires plus pâles qui sont caractéristiques de la couronne solaire en période d’activité magnétique minimale, ce qui est le cas en ce moment.
Les textes en vert ont été traduits de l’anglais par Olivier Sabbagh