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La matière noire chauffe-t-elle la couronne solaire ?

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La couronne solaire est constituée d'un plasma porté à près d'un million de kelvins alors qu'elle s'étend au-dessus de la surface du Soleil portée à seulement 6.000 K. Cette énigme de la physique pourrait être liée à une autre, celle de la matière noire...

La couronne solaire et ses éruptions vues en rayons X mous en 1993. Crédit : Nasa

Se pourrait-il qu'une preuve indirecte de l'existence de la matière noire soit sous nos yeux depuis des dizaines d'années ? C'est ce que suggère un groupe de physiciens avec à leur tête Konstantin Zioutas, du Cern.

Tout part du puzzle du chauffage de la couronne solaire. Il faut savoir que ce que l'on appelle la couronne solaire est constituée principalement de deux couches.

La couronne peut en effet être scindée en deux composantes principales :

  • La couronne F, dite de Fraunhofer ou couronne de poussière. Elle est le résultat de la diffusion de la lumière émanant du disque solaire par les poussières interplanétaires. Le spectre de cette couronne correspond au spectre de raies de Fraunhofer.
  • La couronne K, qui est essentiellement composée d'un plasma très chaud (environ 106 K) et qui présente un spectre caractéristique continu.

C'est cette dernière qui pose problème car elle semble défier le second principe de la thermodynamique qui veut que le chaleur s'écoule spontanément d'un corps chaud à un corps froid. Puisque cette couronne K est chauffée par le Soleil, on ne comprend pas très bien comment sa température, variant de 500.000 à 2.000.000 K, peut être compatible avec une surface solaire sous-jacente portée à seulement 6.000 K. Le phénomène semble aussi incompréhensible que de l'eau dans une casserole en train de bouillir au-dessus d'un bloc de glace.

Quel rapport avec la matière noire constituant la majorité de la matière de l'Univers selon les théories expliquant les courbes de rotation des galaxies, les collisions d'amas de galaxies et tout simplement l'existence même des galaxies ?

Peut-être la particule introduite en QCD par le prix Nobel de physique Frank Wilczek afin de résoudre le problème du moment dipolaire du neutron : l'axion. Elle est considérée comme un bon candidat pour expliquer la nature de la matière noire.

Du photon à l'axion et de l'axion au photon

Cette particule hypothétique, dont la masse est très légère et dont le couplage avec la matière est très faible, devrait en effet être produite en grande quantité dans le cœur du Soleil. Une partie des photons très énergétiques émis dans le cœur devraient en effet se transformer en axions. Créées sous l'action du champ magnétique solaire, ces particules traverseraient les couches de notre étoile comme si elles étaient transparentes et une fraction d'entre eux redeviendraient à nouveau des photons dans le champ magnétique turbulent et localement intense de la couronne K. Ce serait ces photons très énergétiques qui chaufferaient en partie la couronne solaire et seraient responsables aussi des éruptions solaires accompagnées d'un fort rayonnement X.

L'idée de Zioutas et ses collègues semble séduisante mais elle se heurte à deux problèmes. Le premier est que l'émission de rayons X devraient être complètement radiale puisque le flux d'axions l'est. Or, les observations montrent aussi une forte composante non-radiale.

Le second est que le spectre de ces émissions devrait être celui d'un corps noir. Or ce n'est pas le cas, il s'agit plutôt d'un spectre en loi de puissance.

Pour répondre à ces objections, les chercheurs ont lancé des simulations qui montrent qu'avec une masse et un couplage appropriés, l'axion génère des photons X qui diffusent sur les particules du plasma de la couronne. Ils perdent ainsi les caractéristiques initiales des axions pour acquérir celles des photons observés. Une série de diffusions multiples changerait donc aléatoirement la direction finale de la trajectoire des photons X émergeant de la couronne K.

Aaron Chou du Fermilab est sceptique. Pour lui, les processus de diffusion mis en jeu, s'ils étaient réels, défavoriseraient la conversion des axions en photons X. Malgré tout, dans ce modèle où la masse de l'axion est d'environ 0,02 eV, la prochaine série d'expériences avec le détecteur Cast du Cern pourrait bien être assez sensible pour que l'on découvre cette particule.