Une nouvelle théorie explique comment se forment des lacets magnétiques dans le vent solaire

Une nouvelle étude développe une théorie sur la façon dont les lacets magnétiques se forment autour du soleil. Ce modèle quantitatif peut être utilisé pour prédire les variations du champ magnétique et potentiellement expliquer l’échauffement et l’accélération du vent solaire.

L’auteur principal, le Dr Gabor Toth, a travaillé avec le Dr Bart van der Holst du Département des sciences et de l’ingénierie du climat et de l’espace de l’Université du Michigan et le Dr Marco Velli de l’UCLA pour publier l’étude intitulée « Théorie des commutations magnétiques entièrement prise en charge par Parker Solar. Observations de la sonde”, dans Le journal d’astrophysique.

Les lacets magnétiques sont des inversions du champ magnétique radial du vent solaire, qui émane de la surface du soleil. Observés pour la première fois sporadiquement dans les années 70, les lacets magnétiques ont récemment été identifiés comme une composante typique des fluctuations du vent solaire dans l’héliosphère interne par la sonde solaire Parker.

Les observations de la sonde solaire Parker ont révélé que ces lacets magnétiques sont constitués d’ondes d’Alfvén polarisées sphériques, mais jusqu’à présent, les scientifiques n’avaient aucune idée de la façon dont ces lacets se formaient.

La nouvelle étude fournit une théorie simple et prédictive pour la formation de ces inversions magnétiques, impliquant les travaux de chercheurs du Département des sciences et de l’ingénierie du climat et de l’espace de l’Université du Michigan et du Dr Marco Velli, scientifique principal de la mission Parker Solar Probe.

Ce que les chercheurs ont découvert dans les données renvoyées par la sonde solaire Parker après son survol en 2018 n’était pas ce à quoi ils s’attendaient.

“Nous nous attendions à ce que la composante radiale du champ magnétique soit à peu près constante et que les oscillations soient perpendiculaires à celle-ci”, a déclaré Toth. “Mais ensuite, la sonde solaire Parker a montré qu’elle oscillait réellement dans la direction radiale.”

Il voulait trouver un moyen d’expliquer comment cela se produisait et la raison derrière cela. Pour la première fois depuis des années, Toth a eu envie de revenir au travail théorique.

“Vous avez une onde d’Alfvén, qui est perpendiculaire au champ magnétique, et l’idée est qu’elle se déforme et commence à osciller dans différentes directions”, a expliqué Toth. “Cela se produit parce que les vitesses des vagues ne sont pas constantes. À l’origine, nous pensions que c’était la vitesse du plasma qui comptait, mais Bart a souligné que cela était plutôt dû à la vitesse des vagues.”

En collaboration avec son équipe de recherche, il a développé une explication qualitative et quantitative de ce qui se passe dans l’héliosphère interne du Soleil.

“Tout d’abord, la recherche est qualitative dans la mesure où nous décrivons ce processus avec des formules approximatives et des simulations numériques simplifiées. Après avoir fait la modélisation et la théorie, j’ai passé beaucoup de temps à examiner les observations pour vérifier si elles concordaient avec ce que prédit la théorie. … Les preuves sont assez solides que ce processus est réellement en train de se produire.”

“Nous pouvons réellement mesurer la vitesse des vagues, et nous constatons qu’elle varie. L’endroit où vous voyez le lacet est le même endroit où vous voyez la vitesse des vagues varier”, a déclaré Toth.

“Ces ondes proviennent de la surface du soleil et font partie du vent solaire. Initialement, le champ magnétique et la vitesse présentent de grandes fluctuations dans la direction horizontale, mais les ondes sont déformées par la vitesse variable des vagues et, finalement, le champ magnétique radial se retourne, formant un lacets.

Les nouvelles données disponibles auprès de la sonde solaire Parker ont rendu la recherche possible. La sonde a fourni des mesures de champ magnétique et de plasma à haute résolution à une proximité jamais vue auparavant avec le soleil. Toth a utilisé des observations de la densité, de la vitesse, de la température et du champ magnétique pour éclairer ses recherches.

“C’était très important car non seulement nous avons vu que le champ magnétique oscille, mais nous avons également vu que la vitesse du plasma oscille, et ils oscillent ensemble. Ils sont donc proportionnés les uns aux autres”, a déclaré Toth. “Si vous mesurez uniquement le champ magnétique ou le plasma, nous ne pourrions pas établir cette relation.”

L’objectif principal de la sonde solaire Parker était de comprendre comment le vent solaire se réchauffe et s’accélère, volant suffisamment près du soleil pour observer le phénomène.

“La sonde solaire Parker a prouvé que ce que nous pensions n’était pas tout à fait vrai. Nous comprenons désormais mieux ce qui a été observé et comment cela s’est formé”, a déclaré Toth. “La prochaine étape consiste à voir si cela change notre théorie du vent solaire. Cela pourrait bien changer nos modèles.”

La principale application de ces modèles est de prédire la météorologie spatiale, afin de mieux comprendre l’héliosphère et de se préparer aux impacts puissants que les événements météorologiques spatiaux peuvent avoir sur les engins spatiaux, les communications radio, le GPS et même le réseau électrique. Des chercheurs de l’Université du Michigan et d’ailleurs collaborent déjà au Space Weather Modeling Framework, qui vise à fournir de meilleures prévisions pour les événements météorologiques spatiaux.

“Il s’agit d’un ingrédient essentiel pour le développement futur des modèles de météorologie spatiale et de vent solaire, ainsi que pour la manière dont les lacets peuvent être inclus”, a déclaré van der Holst. “Vous avez d’abord besoin d’un cadre mathématique et d’une compréhension des lacets avant de pouvoir avoir une image plus complète de la façon de l’incorporer dans le modèle du vent solaire et d’expliquer le mécanisme de chauffage coronal.”

L’un des modèles actuels du cadre de modélisation de la météo spatiale est le modèle d’atmosphère solaire des vagues d’Alfvén (AWSoM), qui vise à percer les mystères des ondes d’Alfvén.

“Dans la modélisation dont nous disposons actuellement, nous supposons essentiellement que les ondes d’Alfvén sont responsables du réchauffement coronaire”, a déclaré van der Holst. “Cette nouvelle théorie s’inscrit parfaitement dans ce cadre.”

La nouvelle recherche permet de mieux comprendre comment se forment les lacets magnétiques, ce qui pourrait conduire à une compréhension plus approfondie de la turbulence du vent solaire, du réchauffement dans l’héliosphère interne et, à terme, à de meilleurs modèles météorologiques spatiaux.

“Nous pouvons orienter ce travail dans deux directions principales”, a déclaré Toth. “Nous souhaitons réaliser une modélisation numérique tridimensionnelle complète des lacets, en élargissant le travail pour inclure la turbulence. Ensuite, nous souhaitons étudier comment la formation des lacets modifie la théorie du chauffage des vagues d’Alfvén.”