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Champ magnétique intense et taches solaires

Dossier - À la découverte de l'atmosphère solaire
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Les entrailles du Soleil sont inaccessibles et il est difficile d’observer sa surface avec une bonne résolution. Les chercheurs utilisent donc des expériences numériques pour expliquer les phénomènes qui se déroulent au cœur de son atmosphère. Découvrez les événements solaires et leur simulation dans ce dossier.

  
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Les taches solaires sont les manifestations les plus connues des aspects transitoires du Soleil. Elles correspondent à des régions plus froides de la surface solaire, dues à la présence d'un champ magnétique intense.

Tâches solaires. © Thomas Bresson, Wikimedia commons, CC by 3.0

Déjà observées en Chine au Ier siècle avant J.-C., les taches solaires ont été utilisées par Galilée comme arguments pour réfuter le dogme aristotélicien de l'immuabilité des cieux et montrer que le Soleil, comme la Terre, n'était pas une sphère parfaite et immanente.

Les taches solaires et l'activité du Soleil

Les taches solaires sont liées à la présence d'un champ magnétique intense. Ce champ magnétique, mesuré pour la première fois en 1908 par George E. Hale et aujourd'hui cartographié journellement par des satellites d'observation, fait des taches solaires des régions qui stockent énormément d'énergie. Cette énergie est libérée lors des éruptions solaires. Les taches solaires sont ainsi fortement associées à l'activité du Soleil, et les groupes de taches solaires sont d'ailleurs nommés « régions actives ».

La figure ci-dessous présente un exemple de tache solaire. L'image de gauche montre la taille typique d'une tache solaire sur le disque solaire. La figure de droite est un agrandissement de la tache obtenue par le Swedish Solar Telescope. C'est l'une des images à la plus haute résolution qui soit d'une tache solaire.

Observations d’une tache solaire à la surface du Soleil avec les télescopes de Meudon et du Swedish Solar Telescope, et comparaison de la taille de cette tache avec celle de la Terre. © Observatoire de Meudon, Swedish Solar Telescope

La tache solaire se compose de deux parties : l'ombre au centre, la partie la plus sombre, et la pénombre qui l'entoure. Autour de la tache se retrouvent les structures typiques du soleil « calme » : la granulation.

L'origine des éruptions solaires

Les taches solaires étant les régions principales d'origine des éruptions solaires, une part importante des recherches en physique solaire s'évertue à comprendre leurs structures et les mécanismes qui s'y déroulent. Des efforts importants pour simuler ces objets sont donc entrepris.

Évolution de l’intensité lumineuse au sein d’un modèle numérique de tache solaire. © M. Rempel, High Altitude Observatory, NCAR

Parmi ces simulations, celles conduites par M. Rempel de l'High Altitude Observatory (Colorado, États-Unis) sont les plus abouties. La simulation en trois dimensions d'une tache solaire de 35.000 km de large, visible ci-dessus, a requis des semaines de calcul sur les supercalculateurs IBM Bluefire du National Center for Atmospheric Reasearch (Colorado, États-Unis). Dans cette simulation, les plus petits détails simulés (la taille de la plus petite maille de calcul) sont de l'ordre de 16 km. La simulation comporte donc plus d'un milliard de points de mailles.

L'intensité du champ magnétique du Soleil

La figure/animation ci-dessous montre une tache solaire virtuelle, telle qu'elle serait observée au niveau de la surface solaire. On retrouve bien l'ombre de la tache au centre, sa pénombre autour et les granules au loin. Au niveau de la pénombre, on observe de nombreux filaments qui s'étirent radialement depuis le centre de la tache. Ces filaments sont aussi observés dans les taches solaires. En dessous de l'image de la tache se trouve une coupe verticale de l'intensité du champ magnétique sous la surface. Plus le champ magnétique est intense, plus la couleur tend vers le jaune-blanc.

Évolution de l’intensité lumineuse au sein d’un modèle numérique de tache solaire. © Image adaptée de M. Rempel, The Astrophysical Journal, 2012

Évolution de l’intensité lumineuse au sein d’un modèle numérique de tache solaire. © Image adaptée de M. Rempel, The Astrophysical Journal, 2012

La simulation cherche à reproduire la physique d’une tache solaire juste au niveau de la surface. Cette simulation ne montre donc pas ce qui se passe au-dessus de la surface solaire ni profondément en dessous. Cette simulation inclut de nombreux processus liés à l'émission de la lumière. La simulation montre donc comment les photons lumineux, qui transportent la lumière depuis le Soleil jusqu'à nous, sont émis au niveau de la tache solaire. C'est le traitement de ces mécanismes d'émission lumineuse qui rend ces simulations si visuellement réalistes.

Ces simulations montrent le lien entre le champ magnétique et l'intensité de la lumière émise. Au centre des taches, le champ magnétique est très intense et dirigé verticalement. Au niveau de la pénombre, le champ magnétique est moins intense et orienté plus horizontalement.