La sonde Solar Orbiter de l'Agence spatiale européenne à laquelle la Nasa participe en fournissant deux instruments et le lanceur. © ESA, Nasa

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Interview exclusive : Solar Orbiter « ouvrira une fenêtre sur l'intérieur de la couronne solaire »

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Après plusieurs décennies d'attente, la sonde Solar Orbiter va décoller pour une mission inédite à proximité du Soleil. Proposée en 2000 et sélectionnée en 2011, cette mission sera lancée lundi 10 février 2020. Elle embarque 10 instruments qui vont lui permettre de mieux comprendre le comportement du Soleil. Les explications de Milan Maksimovic, directeur de recherches au CNRS, astrophysicien au LESIA (Observatoire de Paris) et responsable de l'instrument RPW à bord de Solar Orbiter.

Le lancement de Solar Orbiter est prévu dans le nuit du 9 au 10 février au soir depuis Cap Canaveral. La sonde, construite par Airbus, décollera à destination du Soleil. Après deux ans de voyage, elle atteindra son orbite elliptique autour du Soleil pour une mission d'au moins 7 ans.

Le Soleil, qui est l'objet du Système solaire le plus observé depuis l'apparition de l'Homme, est si complexe que l'on est loin de tout comprendre de son fonctionnement, de son influence sur l'environnement terrestre et de son impact sur l'activité humaine en orbite. Malgré plusieurs missions dédiées, les scientifiques ne peuvent toujours pas prédire son comportement et ils ont pris conscience, nous explique Milan Maksimovic, que pour « améliorer la connaissance de la météorologie de l'espace et la prédiction des effets de la variabilité solaire et son activité », il était nécessaire de « regarder de plus près notre Soleil » et donc s'en approcher aussi près que la technologie le permet.

Après Solar Parker Probe, lancée en août 2018 pour étudier la couronne, atmosphère mal connue d'où s'échappe le vent solaire, l'Agence spatiale européenne  (ESA) et la Nasa s'apprêtent à lancer Solar Orbiter qui doit faire le « lien entre ce qui se passe sur le soleil et ce qui est transporté par le vent solaire » et fournir une « compréhension plus profonde de notre connaissance du Soleil et de son héliosphère interne ».

Solar Orbiter dispose de 10 instruments de mesure in situ et de télédétection qui collecteront photos et spectres, mesureront le plasma du vent solaire, les champs, les ondes et les particules énergétiques à proximité du Soleil. © ESA, ATG Medialab

Une fois lancée, la sonde Solar Orbiter suivra un chemin elliptique autour du Soleil, « s'en approchant jusqu'à 42 millions de km ». Elle s'approchera moins près du Soleil que Parker Solar Probe, mais les deux sondes n'ont pas les mêmes stratégies. À Solar Parker Probe, les mesures in-situ de la partie la plus externe de la couronne solaire et un peu au-delà, lorsque débute l'héliosphère quand Solar Orbiter réalisera des « clichés dans le domaine UV de la couronne du Soleil avec la meilleure résolution spatiale jamais atteinte (70 km/pixel) ». À cela s'ajoute que Solar Orbiter réalisera également et en permanence « des mesures in situ dans le vent solaire et notamment, lors d'alignement entre le Soleil Parker Solar Probe et Solar Orbiter ». Pour les astronomes, cela revient à ouvrir une fenêtre sur l'intérieur de la couronne du Soleil, source du vent solaire, qui baigne l'ensemble du Système solaire et dont l'interaction avec notre planète gouverne la météorologie de l'espace.

La sonde approchera au plus près du Soleil tous les cinq mois

Comme pour Solar Parker Probe, Solar Orbiter ne sera évidemment pas en permanence au plus près du Soleil. Le satellite réalisera un rapprochement du Soleil tous les cinq mois. Au périhélie, Solar Orbiter se trouvera à seulement 42 millions de kilomètres de notre astre, soit plus proche que la planète Mercure. Au moment du rapprochement maximal, quand il voyagera le plus rapidement, Solar Orbiter restera pendant plusieurs jours grossièrement positionné au-dessus de la même région de l'atmosphère pendant que le Soleil tournera sur son axe. De la même façon que les satellites géostationnaires météorologiques ou de télécommunication survolent le même point de la surface de la Terre, le satellite aura l'air de « survoler » le Soleil pendant un moment. Solar Orbiter sera donc capable d'observer la création de tempêtes dans l'atmosphère solaire. Elle fournira ainsi des observations sans précédent de l'activité magnétique qui se concentre dans l'atmosphère et provoque des tempêtes et éruptions solaires.

Parmi les questions qui taraudent les scientifiques, cette histoire du chauffage de la couronne est une énigme contredisant l'intuition physique qui veut que, normalement, en s'éloignant de la surface d'un astre ou d'une planète, la température atmosphérique devrait décroître. Or, dans le cas du Soleil, elle augmente. Et pas qu'un peu ! En effet, alors que la surface du Soleil est d'environ 5.500 °C, elle atteint « 10.000 degrés dans la chromosphère et plus d'un million de degrés dans la couronne, voire 2 millions dans certaines régions ». Pour expliquer ce processus de chauffage coronal, on pense que « l'apport d'énergie nécessaire pourrait provenir notamment des fluctuations du champ magnétique et de la multitude de petites éruptions solaires invisibles depuis la Terre ». Mais on en reste aujourd'hui encore aux hypothèses car « les mesures du Soleil acquises depuis la Terre ou son orbite ne permettent pas de lever les ambiguïtés ».

Avec Solar Orbiter, les scientifiques sont convaincus que si « les données ne permettront pas d'expliquer ce mécanisme de chauffage, pour cela il faudrait s'approcher encore plus près du Soleil, elles devraient néanmoins éliminer certaines théories » et n'en conserver qu'un nombre restreint dont celle qui s'appuie sur « la présence d'ondes d'Alfvén dans la couronne solaire, qui sont des mécanismes importants assurant le transport de l'énergie, pour expliquer ce chauffage de la couronne ». Cette question des ondes Alfvén suscite également l'intérêt des scientifiques de Solar Parker Probe qui prévoient de les observer au plus près, lorsque la sonde sera à seulement à 9 millions de km du Soleil. De son côté, Solar Orbiter, plus éloignée et disposant à la fois de capacités de diagnostic de la couronne par imagerie et de mesures du vent solaire in situ, pourra suivre la même de portion de vent solaire quittant la couronne et arrivant quelques dizaines d'heures plus tard à la position de la sonde.

Se rapprocher au plus près du Soleil permet d'observer le « vent solaire dans un état juvénile », ce qui devrait aider à comprendre pourquoi autant de matière s'échappe du Soleil (environ 70.000 tonnes de matière s'échappent du Soleil chaque seconde) et quels sont les mécanismes qui accélèrent le vent solaire. « Ce dernier apparaît sous deux formes : lente, de 300 à 400 km/s, et rapide, avec une vitesse de l'ordre de 600 à 800 km/s. »

Cette sonde devrait également nous aider à mieux comprendre le fonctionnement des éruptions solaires, c'est-à-dire « pourquoi elles ont lieu, les processus qui les déclenchent, ainsi que les phénomènes associés et les conséquences qu'elles engendrent », souligne Étienne Pariat, coordinateur du Pôle de physique solaire au LESIA et co-investigateur scientifique sur deux instruments (SPICE et STIX). Surtout, Solar Orbiter devrait être capable de voir le lieu de naissance de ces éruptions, ce qui va « nous permettre de faire le lien entre ce qui se passe à cet endroit sur le Soleil et l'impact qu'elles ont ensuite sur l'héliosphère et le milieu interplanétaire ». Quant aux éjections de masse coronale, « qui sont les structures qui peuvent impacter le plus l'environnement de la Terre », Solar Orbiter devrait aider à mieux « comprendre comment elles sont générées et comment elles se déplacent dans le Système Solaire ».

Les pôles du Soleil dévoilés 

Après une première phase d'environ 4 ans d'observations depuis le plan de l'écliptique, Solar Orbiter « utilisera la gravité de Vénus et de la Terre pour sortir de ce plan et procéder à des observations à hautes latitudes (jusqu'à environ 30°) du Soleil et du vent solaire », fournissant des images inédites des régions polaires du Soleil. On s'attend également à des données importantes sur l'environnement magnétique encore mal compris de ces zones qui jouent un rôle clé dans le cycle solaire de 11 ans et dans les vagues régulières de tempêtes solaires. Cette phase de la mission sera propice à « des mesures d'héliosismologie locale et d'observations des trous coronaux polaires, sources du vent solaire rapide ».

Solar Orbiter doit révolutionner nos connaissances sur la manière dont le Soleil génère et contrôle la bulle de plasma géante qui entoure le Système solaire et influe sur les planètes. © ESA

Enfin, les connaissances accumulées par Solar Orbiter seront, à terme, utiles à d'autres disciplines comme l'exobiologie. Une meilleure connaissance des vents solaires devraient aider à mieux comprendre comment les vents stellaires d'autres étoiles interagissent avec les planètes tournant autour d'elles et influencent ces dernières, allant jusqu'à potentiellement modifier durablement leurs atmosphères et l'émergence possible de la vie sur ces planètes.

Solar Orbiter embarque 10 instruments répartis en deux catégories. Des instruments dits de télédétection et qui fournissent des spectres et des images de la photosphère et de la couronne, ainsi que des instruments héliosphériques de mesures in situ du plasma. On notera que l'instrument RPW est unique parmi les instruments de Solar Orbiter car il fait à la fois des mesures in situ et de télédétection. RPW mesurera les champs magnétique et électrique à haute résolution temporelle en utilisant un ensemble de senseurs-antennes pour déterminer les caractéristiques des ondes électromagnétiques et électrostatiques dans le vent solaire.

Principales questions auxquelles la mission se propose de répondre :

  • Comment le champ magnétique émerge-t-il de l'intérieur et quel est son impact sur l'atmosphère solaire ?
  • Quels sont les mécanismes impliqués dans la formation de la couronne et du vent solaire ?
  • Quels sont les processus physiques expliquant l'activité éruptive du Soleil ?
  • Comment la température de la couronne peut-elle atteindre plus d'un million de kelvins alors que la surface visible du Soleil n'atteint pas 6.000 kelvins ?
  • Comment le plasma du vent solaire est-il accéléré jusqu'à des vitesses supersoniques de près de 1.000 kilomètres par seconde ?
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