Les images les plus détaillées jamais obtenues de la surface du Soleil révèlent une physique jusqu’ici invisible

Les images de la surface du Soleil les plus détaillées jamais obtenues révèlent des instabilités de Kelvin-Helmholtz, des phénomènes ondulatoires surtout connus pour se produire à la surface des océans et dans les systèmes nuageux sur Terre. Ces vortex pourraient contribuer à la génération, au transfert ou à la dissipation de l’énergie magnétique impliquée dans certaines activités solaires, comme les éruptions, et pourraient également contribuer à expliquer pourquoi la couronne solaire est beaucoup plus chaude que la photosphère.

Les activités qui se déroulent au cœur du Soleil et à sa surface sont régulées par son champ magnétique. Ce dernier est entretenu par un mécanisme de dynamo faisant notamment intervenir les mouvements du plasma et la rotation différentielle du Soleil. Mais comme le cycle solaire associé à l’inversion du champ magnétique s’étend sur environ 11 ans, une échelle de temps extrêmement courte à l’échelle cosmique, les flux magnétiques générés doivent se dissiper efficacement.

Parmi les mécanismes proposés pour expliquer l’accumulation et la dissipation de l’énergie magnétique solaire figure le « tressage des lignes de champ ». Il s’agit, comme son nom l’indique, d’un processus au cours duquel les lignes de champ magnétique s’entrelacent à la manière d’une tresse et créent des structures tendues et stables. Les tresses peuvent se rompre lorsque la configuration magnétique se réorganise et libère de l’énergie.

Les lignes peuvent ensuite se recroiser et se reconnecter pour former de nouvelles tresses lors d’un processus appelé « reconnexion magnétique ». Ce réarrangement libère une quantité importante d’énergie, tandis que le système évolue vers un état plus stable et de plus basse énergie.

Les modèles actuels ne peuvent cependant expliquer entièrement les mécanismes exacts sous-tendant l’entrelacement des lignes magnétiques ainsi que la dissipation rapide des flux magnétiques générés. Dans une étude publiée le 5 août dans la revue Nature, des chercheurs ont mis en évidence un mécanisme qui pourrait contribuer à expliquer la dissipation du flux magnétique et son interaction avec le plasma.

« Les modèles actuels peinent à expliquer cette diffusion rapide [du flux magnétique] », explique David Kuridze, auteur principal de l’étude et astronome au National Solar Observatory (NSO), dans un communiqué. « L’instabilité de Kelvin-Helmholtz (IKH) que nous avons découverte dans la photosphère solaire pourrait être une source essentielle de cette diffusion magnétique manquante. »

Des tourbillons à l’échelle de quelques dizaines de kilomètres

Formulée dans les années 1870 par Lord Kelvin et Hermann von Helmholtz, l’IKH est un phénomène se produisant lorsque deux fluides glissent l’un sur l’autre à des vitesses différentes, créant une zone de cisaillement à leur interface. Cette instabilité peut alors donner naissance à des perturbations qui évoluent en vortex.

Les IKH sont largement étudiées dans de nombreux domaines allant de la dynamique des fluides à l’astrophysique, en passant par la météorologie et l’océanographie. Sur Terre, les vortex résultant des IKH sont notamment observés à la surface des océans et dans les systèmes nuageux, tandis que des structures associées à des IKH ont également été observées dans les atmosphères de Jupiter et de Saturne. Des effets sur l’interaction du vent solaire avec l’atmosphère de planètes du Système solaire ont également été observés.

Bien que la présence d’IKH ait déjà été théorisée dans différents environnements de l’atmosphère solaire, leur détection directe dans la photosphère n’avait pas été établie. Kuridze et ses collègues affirment avoir observé le phénomène en rapportant les images les plus détaillées jamais obtenues de la photosphère solaire.

Pour effectuer leurs observations, les chercheurs ont utilisé le plus grand télescope solaire au monde, le télescope solaire Daniel K. Inouye sur l’île de Maui, à Hawaï. Ils se sont concentrés sur une région magnétiquement active située à proximité d’une tache solaire. Les images obtenues ont révélé des dizaines de tourbillons dynamiques à petite échelle entourant les zones magnétiques, que les chercheurs attribuent à des IKH.

La distance entre les vortex variait entre 50 et 65 km, et ceux-ci interagissaient activement avec les structures magnétiques. « Il est passionnant de constater que les observations à très haute résolution de la photosphère solaire ont révélé un nouveau régime dynamique sous la forme de vortex IKH aux bords des concentrations de champ magnétique », a indiqué Matthias Rempel, chercheur principal au High Altitude Observatory et coauteur de l’étude.

« Ces observations fournissent également la validation, à ce jour, à la plus haute résolution, de simulations magnétohydrodynamiques solaires, et la concordance des détails physiques est impressionnante », a-t-il ajouté.