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Paris, 10 juin 2015

Pourquoi l'atmosphère du Soleil est beaucoup plus chaude que sa surface

Comment la température de l'atmosphère du Soleil peut-elle atteindre jusqu'à un million de degrés, alors que celle de la surface de l'étoile est d'environ 6000°C ? En simulant l'évolution d'une partie de l'intérieur et de l'extérieur du Soleil, des chercheurs du Centre de physique théorique (CNRS/École polytechnique) et du laboratoire Astrophysique, instrumentation-modélisation (CNRS/CEA/Université Paris Diderot) ont identifié les mécanismes apportant l'énergie capable de chauffer l'atmosphère solaire. Une couche située sous la surface du Soleil, qui se comporte comme une casserole en ébullition, créerait un champ magnétique à petite échelle comme réserve d'énergie qui, une fois sorti de l'étoile, chaufferait les couches successives de l'atmosphère solaire via des réseaux de racines et de branches magnétiques1, telle une mangrove. Ce chauffage de l'atmosphère, impliqué dans la création du vent solaire qui remplit l'héliosphère, concernerait de nombreuses autres étoiles. Ce résultat parait dans la revue Nature du 11 juin 2015.

La température du Soleil, qui atteint environ 15 millions de degrés en son cœur, décroit progressivement pour chuter à 6000 degrés à sa "surface". Elle devrait alors logiquement continuer à décroitre dans l'atmosphère. Pourtant, elle atteint environ 10 000 degrés dans la chromosphère et plus d'un million de degrés  dans la couronne. Quelle est la source d'énergie capable de fournir et de maintenir l'atmosphère à  de telles températures ? Une question qui représente un des grands problèmes de l'astrophysique depuis environ un siècle, d'autant plus importante qu'elle est associée à la source du vent solaire qui parvient jusqu'à  la Terre.

S'il paraissait acquis qu'une partie de l'énergie de l'intérieur du Soleil parvenait à atteindre ces couches externes, le mécanisme restait mystérieux. Ces chercheurs se sont concentrés sur  le champ magnétique à  petite échelle, d'aspect  "poivre et sel" en dehors des taches.

Figure1

© Tahar Amari / Centre de physique théorique et S. Habbal / M. Druckmüller.

La surface solaire et son champ magnétique majoritairement « poivre et sel », en dehors des régions des grandes taches solaires, à partir des données du satellite SDO de la NASA




Des modèles numériques performants et les calculateurs du Centre de physique théorique (CNRS/École polytechnique) et de GENCI à l'Idris du CNRS ont permis d'effectuer une simulation pendant quelques heures à partir d'un modèle constitué de plusieurs couches, l'une interne et les autres atmosphériques. Les chercheurs ont  alors constaté que la fine couche sous la surface du Soleil se comporte en fait comme une "casserole" de petite épaisseur contenant un plasma2 en ébullition, chauffée par le bas et formant des "bulles" associées à  des granules. Ce potage de plasma en ébullition est alors responsable d'un phénomène  dynamo qui amplifie et maintient le champ magnétique : ce dernier, en sortant vers la surface, prend une apparence poivre et sel et forme des concentrations moins nombreuses, de plus grosse taille, de durée de vie plus longue et baptisées "méso-taches" solaires, le tout concordant avec les observations.

Figure2

© Tahar Amari / Centre de physique théorique

Zoom sur une petite portion de la surface du Soleil modélisée et illustrant la température des cellules de granulation obtenue à la surface de la fine casserole de plasma en ébullition (chaud/clair au centre des cellules et froid/sombre au bord) située sous la surface du soleil et responsable de la création du champ magnétique de petite échelle en surface.




Les scientifiques ont également découvert qu'une organisation semblable à une mangrove apparait autour des méso-taches solaires : des "racines chromosphériques" enchevêtrées plongent entre les granules, entourant des "troncs d'arbres magnétiques" qui s'élèvent dans la couronne  et sont associés au champ magnétique à plus grande échelle.

Figure5

© Tahar Amari / Centre de physique théorique.

Modèle complet illustrant la fine casserole de plasma en ébullition, proche de la surface solaire, responsable de la génération du champ magnétique poivre et sel en surface (bleu-rouge), qui en émergeant crée toute une "végétation" rappelant une mangrove, et permettant le chauffage des divers couches de l'atmosphère solaire.




Leurs calculs ont montré que, dans la chromosphère, le chauffage de l'atmosphère est assuré par de multiples micro-éruptions survenant dans les racines de la mangrove porteuses de courant électriques très importants,  au rythme des "bulles" issues du plasma en ébullition. Ils ont également découvert que des évènements éruptifs plus importants et moins nombreux existent au voisinage des méso-taches mais ne permettent pas de chauffer la couronne plus haute et à  plus grande échelle.

Cette dynamique éruptive engendre alors des ondes "magnétiques" le long des troncs  un peu comme un son sur une corde pincée, en se propageant le long de celle-ci. Ces ondes transportent alors l'énergie vers la couronne plus haute et leur dissipation progressive chauffe celle-ci. Leurs calculs montrent aussi qu'en retombant vers la surface, la matière éjectée  forme des tornades, elles-mêmes observées. Des  jets de plasma fins, proches de ces arbres, sont également produits et représentent les spicules3 découverts récemment. Autant de phénomènes, observés jusqu'ici individuellement et non expliqués, qui sont divers canaux d'énergie issus du plasma bouillonnant, et non la source unique invoquée.

Les chercheurs ont constaté que le flux d'énergie de leurs mécanismes correspond  à celui requis  par  toutes les études pour maintenir le plasma de l'atmosphère solaire à sa température : 4 500 W/m2 dans la chromosphère et 300 W/m2 dans la couronne.

Figure3

© © Tahar Amari / Centre de physique théorique

La surface du Soleil selon les données de la mission spatiale IRIS de la NASA, avec en fond la structure dynamique de l'atmosphère chauffée.




Figure4

© Tahar Amari / Centre de physique théorique.

Modélisation de l'atmosphère solaire montrant à haute résolution la formation de courants électriques importants qui s'élèvent telles des flammes.




Notes :

1Les lignes de champ magnétique s'organisent en forme de racines et de branches.
2Un plasma, souvent appelé le quatrième état de la matière, représente ici un fluide conducteur d'électricité.
3Spicule : jet fin de matière issu de la chromopshère et arrivant dans la couronne.

Références :

Small scale dynamo magnetism drives the heating of the solar atmosphere : Tahar Amari, Jean-François Luciani et Jean-Jacques Aly ; Nature ; 11 Juin 2015.

Contacts :

Chercheur CNRS l Tahar Amari l T 01 69 33 42 52 l tahar.amari@polytechnique.edu
Presse CNRS lJulien Guillaume l T 01 44 96 46 35 l julien.guillaume@cnrs-dir.fr


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