Première observation d'un switchback magnétique dans la couronne solaire

Résultat scientifique Plasmas

En travaillant sur les mesures réalisées par Solar Orbiter, le satellite d'observation du soleil de l'Agence spatiale européenne, une équipe internationale impliquant des scientifiques du Laboratoire de mécanique des fluides et d'acoustique et de l'Institut d'astrophysique spatiale a mis en évidence l'origine et le mécanisme de formation des ''switchbacks'', des structures magnétiques en forme de S observées dans le vent solaire.

Le vent solaire, flux continu de particules de plasma supersonique généré au niveau de la couronne solaire, forme une bulle - l'héliosphère - qui s'étend au-delà du système solaire. Ce flux de particules engendre un champ magnétique à très grande échelle. En 2019, la sonde Parker Solar Probe (PSP) de la NASA avait découvert l'existence dans l'héliosphère d'un grand nombre de structures de champ magnétique en forme de S : des "basculements" à court terme dans la polarité du champ magnétique, appelées "switchbacks", susceptibles de jouer un rôle critique dans la création et l'accélération du vent solaire lui-même. Mais l'origine et le mécanisme de formation de ces phénomènes restaient des questions non résolues.

Une réponse fortement argumentée est proposée par l'étude d'une équipe internationale impliquant le Laboratoire de mécanique des fluides et d'acoustique (LMFA, CNRS/Ecole Centrale Lyon/Insa Lyon/Université Claude Bernard), avec la participation de Raffaele Marino, et des scientifiques de l'Institut d'astrophysique spatiale (IAS, CNRS/Université Paris-Saclay). Ces travaux apportent une réponse à une question clé : les switchbacks ont-ils leur origine dans le soleil, ou bien se forment-ils dans le vent solaire, pendant qu'il se dilate dans l'espace ? Les scientifiques, en se basant sur les mesures réalisées par le coronographe1 Metis embarqué dans le satellite d'observation du soleil Solar Orbiter, associées à des études théoriques et des modélisations numériques, ont apporté la réponse. Ils ont montré que la structure de plasma solaire en forme de S observée dans la couronne solaire est en effet compatible avec l'existence d'un switchback magnétique sous-jacent, et mis ainsi en évidence la première observation d'un switchback dans la couronne solaire.

L'article publié dans Astrophysical Journal Letters, dont le premier auteur est Daniele Telloni, chercheur à l'Institut national italien d'astrophysique et co-investigateur de Metis, va plus loin. En effet, il élucide le mécanisme qui donne naissance à un switchback au sein de la couronne solaire. L'équipe a ainsi montré qu'une recombinaison entre des boucles de champ magnétique se développant au-dessus de régions actives de la couronne, et des lignes de champ ouvertes émergeant vers l'extérieur du soleil -le phénomène dit de ''reconnexion d'échange''-, permettait d'expliquer la formation d'un switchback magnétique.

Ces résultats devraient enrichir les interprétations des données fournies par les satellites d'observation du soleil Parker Solar Probe et Solar Orbiter. En permettant de mieux connaître la structure du champ magnétique, de la turbulence et des instabilités dans l'héliosphère, ils devraient aussi améliorer les prévisions de la météorologie de l'espace, qui, entre autres questions, étudie l'effet du soleil (rayonnement, vent solaire, champs magnétiques) sur la fiabilité de services spatiaux ou terrestres, et sur la santé humaine.

Composition de l'image de luminosité totale de la couronne solaire (bleue) observée par Metis et de l'émission ultraviolette (jaune) image fournie par l'Extreme Ultraviolet Imager depuis le point de vue de Solar Orbiter le 25 mars 2022 à 20h39 TU. Le switchback (dans la boîte rectangulaire) se propage à travers la couronne solaire, au-dessus d'une région active du Soleil (boîte blanche).  ©Astrophysical Journal Letters
Composition de l'image de luminosité totale de la couronne solaire (bleue) observée par Metis et de l'émission ultraviolette (jaune) image fournie par l'Extreme Ultraviolet Imager depuis le point de vue de Solar Orbiter le 25 mars 2022 à 20h39 TU.
Le switchback (dans la boîte rectangulaire) se propage à travers la couronne solaire, au-dessus d'une région active du Soleil (boîte blanche).
© Astrophysical Journal Letters
Mécanisme de la reconnexion d'échange entre lignes de champ magnétique :  (a) Une boucle fermée de champ magnétique formée à la surface du soleil s'approche d'une zone comportant des lignes de champ ouvertes. (b) La recombinaison entre les lignes de champ produit une structure magnétique en forme de S (switchback). (c)  Le switchback est lancé vers l'extérieur, tandis qu'une nouvelle reconnexion d'échange démarre avec la même boucle magnétique. © The American Astronomical Society, from   ''The Origin of Switchbacks in the Solar Corona: Linear Theory'', Zank and al. ;   The Astrophysical Journal  2020
Mécanisme de la reconnexion d'échange entre lignes de champ magnétique :
(a) Une boucle fermée de champ magnétique formée à la surface du soleil s'approche d'une zone comportant des lignes de champ ouvertes. (b) La recombinaison entre les lignes de champ produit une structure magnétique en forme de S (switchback). (c)  Le switchback est lancé vers l'extérieur, tandis qu'une nouvelle reconnexion d'échange démarre avec la même boucle magnétique.
© The American Astronomical Society, from ''The Origin of Switchbacks in the Solar Corona : Linear Theory'', Zank and al. ; The Astrophysical Journal  2020

 

Références :

Observation of a magnetic switchback in the solar corona
Daniele Telloni et al, 2022 ApJL 936 L25
Astrophysical Journal Letters

https://doi.org/10.3847/2041-8213/ac8104
Article disponible sur la base d’archives ouvertes arxiv

  • 1Un coronographe est un instrument optique permettant de simuler des éclipses de soleil en masquant sa partie centrale, et ainsi d'observer la couronne solaire. Le coronographe Metis (Multi Element Telescope for Imaging and Spectroscopy), l'un des dix instruments embarqués dans le satellite Solar Orbiter, fournit des images en ultraviolet et en lumière visible de la couronne solaire.

Contact

Raffaele Marino
Chargé de recherche au Laboratoire de mécanique des fluides et d'acoustique (LMFA, CNRS/Ecole Centrale Lyon/Insa Lyon/Université Claude Bernard). Co-investigateur du « Solar Wind Analyzer » (SWA, sur Solar Orbiter)
Communication INSIS