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La tempête solaire qui ressemblait aux restes d'une supernova

ActualitéClassé sous :Astronomie , soleil , instabilité hydrodynamique

Le 7 juin 2011, la plus spectaculaire éjection de masse coronale connue à ce jour se produisait à la surface du Soleil. Elle a permis aux astrophysiciens d'observer pour la première fois dans l'atmosphère du Soleil les manifestations à grande échelle d'une instabilité bien connue en hydrodynamique, celle de Rayleigh-Taylor. Le phénomène ressemblait beaucoup à celui qui se déroule dans les restes de la supernova à l'origine de la nébuleuse du Crabe.

Observée ici par Hubble, la nébuleuse du Crabe est le reste de l’explosion d’une étoile située à environ 6.300 années-lumière de la Terre. La supernova était visible sur Terre en 1054. Le reste de l’étoile qui se trouve vers le centre de la nébuleuse est un pulsar. PSR B0531+21 tourne sur lui-même environ 30 fois par seconde. L'image est formée de l'assemblage de 24 prises individuelles de la Wide Field and Planetary Camera de Hubble. Les couleurs trahissent l’existence de différents éléments expulsés lors de l'explosion. Le bleu représente l'oxygène neutre, le vert le soufre ionisé une fois et le rouge indique l'oxygène ionisé deux fois. © Nasa, Esa, J. Hester, A. Loll (université de l’État d’Arizona)

La mécanique des fluides, ou hydrodynamique, s'applique à un nombre étonnamment varié de phénomènes naturels. Les équations de Navier-Stokes en sont à la base et, combinées à d'autres lois (comme celles de la thermodynamique, celle de la conduction de la chaleur de Fourier ou encore les équations de Maxwell), permettent de comprendre par exemple la convection dans le manteau à l'origine de la dérive des continents, la naissance du Système solaire ou encore les tourbillons océaniques.

Les physiciens ont donc remarqué depuis longtemps qu'un phénomène découvert au sein d'un fluide dans un domaine donné, que ce soit en géophysique ou en astrophysique, pouvait se retrouver sous une forme analogue dans un autre fluide. Une équipe internationale d'astrophysiciens vient de le démontrer une fois de plus dans un article déposé sur arxiv. Les chercheurs ont découvert un nouvel avatar de la célèbre instabilité de Rayleigh-Taylor, ainsi nommée en hommage aux physiciens britanniques lord Rayleigh et Geoffrey Ingram Taylor, mais cette fois-ci à l'occasion d'une éjection de masse coronale du Soleil. Le plus fascinant dans cette découverte est sans doute le fait que les manifestations de cette instabilité dans le plasma solaire ressemblent à celles que l'on connaissait déjà dans les restes d'une supernova fameuse, celle de la nébuleuse du Crabe.

Une tempête solaire se déchaînait à la surface du Soleil le 7 juin 2011. Le satellite SDO a été témoin du phénomène et comme le montrent les images de cette vidéo, des paquets de plasma lancés à travers l'atmosphère solaire sont retombés à la surface de la photosphère. © UCL Mathematical and Physical Sciences, YouTube

Spectaculaire instabilité de Rayleigh-Taylor dans le Soleil

L'instabilité de Rayleigh-Taylor se produit dans un milieu comportant deux fluides de densité différente stratifiés dans un champ de gravité où le plus dense est initialement au-dessus. Cette situation n'est pas stable, de sorte que le fluide le plus lourd va commencer à développer des sortes de panaches qui vont pénétrer le fluide le plus léger, alors que celui-ci va développer des panaches analogues qui vont s'élever. En océanographie, il existe un phénomène qui ressemble à l'instabilité de Rayleigh-Taylor par ses manifestations, mais qui a une autre origine (l'instabilité de double diffusion). Il se forme ainsi des « doigts de sel » lorsqu'une couche d'eau particulièrement salée et chaude se retrouve au-dessus d'une couche qui l'est moins.

 
En comparant l'image du haut prise par Hubble et celle du bas qui est l’œuvre de SDO, on remarque que les restes de la supernova à l'origine de la nébuleuse du Crabe (en haut) ont une structure en forme de filaments se subdivisant, qui ressemble beaucoup à celle observée lors d'une éjection de masse coronale géante le 7 juin 2011 (en bas). Un même phénomène physique est à l'œuvre : l'instabilité de Rayleigh-Taylor.

En comparant l'image du haut prise par Hubble et celle du bas qui est l’œuvre de SDO, on remarque que les restes de la supernova à l'origine de la nébuleuse du Crabe (en haut) ont une structure en forme de filaments se subdivisant, qui ressemble beaucoup à celle observée lors d'une éjection de masse coronale géante le 7 juin 2011 (en bas). Un même phénomène physique est à l'œuvre : l'instabilité de Rayleigh-Taylor. © Image du haut : Nasa, Esa, Alison Loll, Jeff Hester ; image du bas : Nasa, SDO

Lorsqu'on observe les restes de la supernova de l'an 1054 avec un télescope comme Hubble, on voit clairement l'instabilité de Rayleigh-Taylor à l'œuvre. Une partie de la matière de la nébuleuse du Crabe est en train de retomber en direction de l'étoile à neutrons qui en occupe le centre, vestige de l'étoile qui a explosé à environ 6.300 années-lumière du Soleil. Des « doigts de plasma » plus denses se sont formés et se sont subdivisés à leur tour plusieurs fois en raison de cette instabilité hydrodynamique. Toutefois, en 1996, on a découvert que les tailles des panaches de matière plus dense retombant en direction du pulsar du Crabe étaient plus élevées que prévu. L'explication du phénomène a été trouvée : il s'agissait de l'influence du champ magnétique particulièrement intense régnant dans la nébuleuse.

La magnétosphère du Soleil et son influence sur le plasma dans son atmosphère, voilà aussi ce que les astrophysiciens cherchaient à mieux comprendre lorsqu'ils ont analysé les observations de la plus grande éjection de masse coronale observée par le satellite SDO le 7 juin 2011. Comme le plasma solaire éjecté à cette occasion était plus dense que celui de l'atmosphère solaire, on pouvait s'attendre à ce que l'instabilité de Rayleigh-Taylor se manifeste avec éclat. C'est bien ce qu'ont montré les images de SDO. Surtout, la taille des « doigts de plasma » reflétait là aussi l'influence perturbatrice du champ magnétique du Soleil. On était donc bien en présence d'instabilités de Rayleigh-Taylor magnétiques similaires à celles dans la nébuleuse du Crabe. C'est la manifestation la plus spectaculaire de ce phénomène observé avec notre étoile à ce jour.

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