Les tempêtes solaires atteindront leur apogée lors d’une éclipse totale en 2024

Le cycle solaire qui s'ouvre offre aux sondes spatiales une occasion inédite de percer les mystères de notre étoile, et donnera à voir aux terriens un spectacle renversant.

Publication 19 mai 2021 à 14:27 CEST
Solar Campfires

La sonde Solar Orbiter, lancée par l’ESA, a pris ce cliché du Soleil en rayonnements ultraviolets extrêmes le 30 mai 2020. Les images prises à cette longueur d’onde permettent de révéler la couronne diaphane du Soleil, qui brûle à plus d’un million de degrés Celsius.

Photographie de Solar Orbiter/EUI Team/ ESA & NASA; CSL, IAS, MPS, PMOD/WRC, ROB, UCL/MSSL

Malgré tout ce que nous avons découvert sur notre étoile, le Soleil demeure entouré de mystère. Aujourd’hui, après sept années relativement calmes, il devrait connaître de nouvelles sautes d’humeur, et une armée de sondes spatiales tournées vers lui attendent patiemment son réveil. Celles-ci sont pour les scientifiques une chance inouïe d’étudier l’étoile tempétueuse au centre de notre système solaire, et notamment ses effets sur notre voisinage cosmique.

Comme les cigales, qui émergent et disparaissent à intervalles réguliers, le Soleil connaît des cycles qui alternent (tous les onze ans environ) entre périodes de tempêtes et périodes de sommeil. Ces cycles sont liés à son activité magnétique interne et sont annoncés par des phénomènes caractéristiques tels que les taches solaires et les éruptions chromosphériques.

La communauté scientifique surveille attentivement les humeurs du Soleil, car ses emportements peuvent ravager nos réseaux électriques et nos systèmes de communication (technologies dont notre civilisation moderne ne peut se passer), mais aussi nuire à tout explorateur humain ou robotique se trouvant en orbite et au-delà. En plus de cela, l’étude des liens souvent invisibles qui lient le Soleil à son système planétaire est loin d’être évidente.

« Quand je prends du recul, que je redeviens un spectateur innocent, je me dis : “Mais bon sang, comment est-il possible que nous sachions tout ça ?” », confie James Klimchuk, astrophysicien à la NASA. « Mais il y a encore une montagne de choses que nous ne comprenons pas. »

Le nouveau cycle solaire est en train de s’installer et connaîtra un pic d’activité vers 2025, selon les estimations. Et cette fois, notre étoile sera accueillie à son réveil par la sonde Parker, mise en orbite par la NASA, qui plonge inlassablement en piqué vers le Soleil et fond sur lui plus près et plus vaillamment que toute sonde avant elle.

« J’en ai encore la chair de poule quand j’y pense, confie l’astrophysicienne Madhulika Guhathakurta. Je pense que j’ai pu assister à une mission, une seule, au quartier général de la NASA, et c’était pour la sonde Parker. »

La sonde Solar Orbiter, lancée par l’Agence spatiale européenne (ESA), tourne elle aussi autour du Soleil et, le moment venu, nous fournira les premières vraies observations des pôles solaires. En attendant cette mission, les scientifiques doivent se contenter de scruter les faces du Soleil que nous pouvons voir depuis la Terre ; l’observation de ses pôles est cruciale pour comprendre son activité magnétique et l’intensité de son activité cyclique.

Encore plus haletant pour les astronomes amateurs, ce cycle devrait atteindre son apogée en avril 2024, soit peu ou prou au moment où doit se produire une éclipse de soleil totale, qui ne sera toutefois visible qu’en Amérique du Nord. Au moment où la Lune occultera le Soleil, ceux qui se trouveront sur le chemin de l’éclipse auront la chance de voir le halo délicat et diaphane de la couronne solaire. Le maximum solaire en passe d’être atteint, le spectacle s’annonce majestueux.

« Ça va donner l’impression de sortir de partout, ça va être très dynamique », prédit Madhulika Guhathakurta.

 

PLANIFIER LES CATACLYSMES SOLAIRES

Si les experts conviennent qu’un nouveau cycle vient de débuter, les débats font rage quant à sa véhémence. En septembre 2020, le panel de prédiction du Cycle solaire 25 a annoncé que le vingt-cinquième cycle venait de démarrer, et selon eux, il devrait être modéré. Pour effectuer ces prédictions, on s’appuie traditionnellement sur le dénombrement des taches solaires, sombres et transitoires, visibles à la surface du Soleil. Apparaissant dans des régions où le champ magnétique est puissant, les taches solaires fleurissent et fanent en même temps que l’activité solaire croît et décline.

Comprendre : le Soleil

En décembre 2019, les chercheurs ont enregistré un nombre minimal de taches solaires. Le panel a plus tard annoncé que cette observation marquait la fin du cycle 24, et en observant la vitesse à laquelle les taches réapparaissaient, a estimé que le cycle 25 serait d’une intensité similaire à celle du cycle 24, plutôt calme donc.

Mais d’autres experts des cycles solaires parviennent cependant à une conclusion toute différente : le cycle 25 pourrait être un des plus sévères depuis qu’on a commencé à les mesurer en 1755. Au lieu de compter les taches solaires, Robert Leamon de l’Université du Maryland, Comté de Baltimore, et ses collaborateurs fondent leur prédiction sur un cataclysme qu’ils appellent terminator, soit le moment où cesse complètement l’activité magnétique du cycle précédent. Les taches solaires se synchronisent généralement avec cette transition, mais le véritable terminator survient en général 12 à 18 mois après que le minimum de l’activité solaire a été atteint.

« S’il y a une certitude que je peux énoncer à chacun, c’est que l’activité ne se résume pas au nombre de taches solaires », affirme Robert Leamon, qui a publié sa prédiction contradictoire dans la revue Solar Physics avec son équipe.

En planifiant les terminators des 270 prochaines années, ils ont découvert que la durée qui les sépare est étroitement liée à la puissance du cycle suivant, les intervalles plus courts augurant d’une activité accrue. Et selon lui, c’est dans cette situation que nous nous trouvons aujourd’hui ; l’intervalle entre les terminators est réduit et l’activité magnétique du cycle 25 va vraisemblablement reprendre au cours des deux prochains mois.

« On est tout près, confie-t-il. C’est là qu’on va voir une hausse importante de l’activité. »

 

PRÉVOIR LES CATASTROPHES

Un cycle solaire véhément pourrait provoquer des problèmes sur Terre. Les taches solaires déclenchent des déflagrations gigantesques : les éruptions solaires. Celles-ci projettent parfois dans l’espace des salves de radiations et de particules chargées qu’on appelle éjections de masse coronale ou EMC. Une EMC suffisamment puissante qui viendrait à croiser le chemin de la Terre entraînerait une tempête géomagnétique préjudiciable.

La plus célèbre est peut-être celle qui s’est produite en 1859, lors du cycle 10. Cette tempête, connue sous le nom d’« événement de Carrington », a perturbé le système télégraphique et secoué les opérateurs qui étaient aux commandes en plus d’illuminer le ciel d’aurores visibles jusqu’aux Antilles. De nos jours, une tempête de cette ampleur serait dévastatrice. Elle pourrait mettre à terre les réseaux électriques, neutraliser les satellites, mettre en danger les astronautes en orbite, influer sur le plan de vol des avions, et opacifier la haute atmosphère terrestre aux systèmes de communication.

Les éruptions de plus faible intensité représentent également un danger. Le 12 mars 1989, une coupure d’électricité a touché l’ensemble de la province du Québec après qu’une EMC d’intensité bien moindre que celle de Carrington a frappé la Terre et fait griller le réseau électrique de la région, piégeant des personnes dans des ascenseurs et des tunnels. En orbite, de nombreux satellites ont temporairement cessé tout communication ou ont eu du mal à maintenir leur altitude, et les capteurs de la navette Discovery, qui venait de décoller le jour même, se sont affolés.

On appelle météorologie de l’espace l’influence de l’activité solaire sur la Terre, et pendant des années, les scientifiques ont affûté leur méthode pour anticiper les périodes dangereuses de notre étoile. Mieux prévoir les tempêtes solaires permet de mieux protéger les infrastructures vulnérables, de la même manière qu’un bulletin météo permet à ceux qui se trouvent sur la trajectoire d’une tempête de se préparer avant qu’elle ne s’abatte.

« On ne va pas pouvoir empêcher le Soleil de faire des siennes, mais avec un peu de chance on va pouvoir limiter ses effets en activant des réseaux électriques alternatifs si on est prévenu suffisamment à l’avance », explique Gordon Emslie, professeur à l’Université de Western Kentucky et directeur du comité des politiques publiques de la division de physique solaire de l’Union américaine d’astronomie.

Conscient du pouvoir dévastateur des tempêtes solaires, le gouvernement américain a fait voter en octobre 2020 le PROSWIFT Act, qui oblige diverses agences gouvernementales à œuvrer ensemble afin de percer les mystères de la météorologie spatiale et d’améliorer les prévisions. Concrètement, leurs recherches fondamentales devront privilégier l’étude de la formation des éruptions solaires et de la façon dont les EMC traversent l’espace. Mais les agences devront aussi mettre en place divers programmes et satellites de surveillance.

« Tout comme on comprend mieux les rafales descendantes et les tornades et les ouragans si on les observe et qu’on tente de les comprendre, il en va de même pour la météorologie spatiale », fait remarquer Gordon Emslie.

Les agences spatiales ont déjà à leur disposition, à terre et en orbite, un certain nombre de télescopes permettant d’observer notre étoile sous différents points de vue, et par le prisme de multiples longueurs d’onde. Deux sondes spatiales ont récemment rejoint la flotte, elles mettent les chercheurs au premier rang pour observer les sursauts prochains du Soleil, et leurs instruments fournissent d’ores et déjà des données qui commencent à dissiper les mystères de notre étoile.

 

AUTOUR DU FEU DE CAMP

Lancée en février 2020 par l’ESA, la sonde Solar Orbiter tourne en ce moment autour du Soleil grâce à l’assistance gravitationnelle de Vénus qui lui permet de se maintenir dans une orbite survolant les pôles du Soleil. Pour le moment, la sonde scrute notre étoile grâce une multitude d’instruments embarqués qui permettront de mieux comprendre son influence sur notre planète.

En mai dernier, les caméras de la sonde ont capturé quelque 1 500 éruptions miniatures dans la photosphère – enfin, miniatures selon les standards solaires… certaines faisaient la taille de continents entiers. Ces petites éruptions qui durent quelques dizaines de secondes, l’équipe les appelle « feux de camp ».

Cette image haute résolution, prise par Solar Orbiter en mai 2020, montre un phénomène nommé « feux de camps », qui contribue peut-être à cette énigme non résolue : pourquoi la couronne solaire est-elle bien plus chaude que sa surface ?

Photographie de Solar Orbiter/EUI Team/ ESA & NASA; CSL, IAS, MPS, PMOD/WRC, ROB, UCL/MSSL

« C’est un terme d’observation qu’on a inventé et qui décrit des choses vraiment toutes petites qui flamboient pendant une durée infime, mais partout », explique Daniel Müller, scientifique de l’ESA qui prend part au projet Solar Orbiter.

Survenant à des endroits calmes du Soleil, les feux de camp s’avivent quand la tension augmente dans les lignes de champ magnétiques entortillées et enchevêtrées, et qu’elle les fait se briser comme des élastiques trop tendus. En se brisant et en se liant de nouveau, ces lignes émettent de la chaleur et produisent des flammèches. Fin avril, des chercheurs ont annoncé lors d’une conférence de l’Union européenne des géosciences que l’énergie relâchée par ces feux de camp pourrait suffire à élucider une énigme solaire séculaire.

Alors que la surface du Soleil rôtit à environ 5 500 degrés Celsius, un million de degrés accablent sa couronne, voire plus. C’est une énigme que les astrophysiciens tentent de résoudre depuis presque un siècle.

« Vous êtes bien au chaud près de votre cheminée, mais d’un coup, quand vous êtes à 100 mètres, elle devient super brûlante » illustre Daniel Müller. « Comment est-ce possible ? » En simulant l’ardente surface du Soleil, une équipe dirigée par Yajie Chen, de l’Université de Pékin, a calculé que la chaleur émise par ces feux de camp apparaît suffisante pour carboniser la couronne.

« Les modèles ont atteint un degré de sophistication tel qu’on peut commencer à croire ce qu’ils nous montrent » explique Daniel Müller. « Et ils indiquent que nous sommes sur la bonne voie. »

Cela n’est peut-être pas vraiment surprenant, selon James Klimchuk, qui travaille à la NASA. Il explique que les feux de camp semblent être une version plus imposante des nanoflares, de petites explosions solaires dont le physicien Eugene Parker a suggéré qu’elles avaient pu être à l’origine de la surchauffe de la couronne en 1988.

Ces nouveaux résultats ne signifient pas pour autant que l’affaire est close. Il reste notamment à élucider le fait que les feux de camp se produisent dans des régions calmes du Soleil et qu’ils ont tendance à relâcher de la chaleur dans les couches inférieures de l’atmosphère solaire, tandis que les nanoflares se produisent plus haut et sont particulièrement puissantes dans les régions actives. Cela n’empêche toutefois pas les observations de Solar Orbiter de profiter aux chercheurs, qui peuvent mieux comprendre le phénomène.

Mais la question la plus pressante concernant notre étoile est possiblement la façon dont elle génère et dompte son champ magnétique.

« C’est la question à six milliards de dollars », lance Robert Leamon. Et c’est une question à laquelle les sondes qui tournent autour du Soleil sont peut-être sur le point de répondre.

Le champ magnétique du Soleil est généré par des gaz brûlants qui s’agitent dans les profondeurs du Soleil et produisent un effet dynamo. De par cet effet, des lignes de champ magnétique surgissent à travers la surface du Soleil et se répandent. Pour comprendre ce processus, il faut jeter un œil aux pôles solaires, jusqu’ici difficiles à étudier à cause de l’énergie nécessaire pour placer une sonde sur une orbite propice à leur observation. En survolant encore bien haut les pôles de l’étoile, Solar Orbiter aura collecté d’ici quelques années des données provenant de cette région et nous apportera une des pièces manquantes du puzzle.

Dans le même temps, la sonde Parker est en train de se pelotonner tout près du Soleil (en fait, elle entre et ressort de son atmosphère supérieure), ce qui lui permet d’être aux premières loges pour observer le cycle 25. Pour la première fois, les scientifiques vont pouvoir étudier le Soleil de près au moment où il sort de son sommeil, et faire le lien entre les informations récoltées par la sonde et les brins d’activité solaire qui nous parviennent.

 

UN SPECTACLE TOTAL

Mais pour ce cycle, on n’aura pas besoin de se trouver à bord d’un vaisseau spatial pour bien se rendre compte de l’activité solaire. Le 8 avril 2024, la Lune se glissera entre la Terre et le Soleil et occultera la lumière émise par notre étoile. Durant près de 4min30, cette éclipse totale sera visible le long d’une étroite portion des États-Unis qui s’étend du Texas au Maine et aura lieu alors que le Soleil sera en plein pic d’activité.

Mission vers le Soleil

Madhulika Guhathakurta, par ailleurs chasseuse d’éclipse, n’a cessé de suivre l’ombre de la Lune quand elle glisse sur notre planète depuis sa première éclipse, au large du Mexique en 1991 ; une expérience qui, à sa surprise, fut transcendante.

« Cela fait de vous une autre personne, explique-t-elle. Ça vous fait juste penser en profondeur au cosmos et à la relation que nous entretenons avec lui, et aux questions fondamentales que nous nous posons en tant qu’êtres humains. »

Cette prochaine éclipse sera différente de celle qui a suscité l’enthousiasme du public en 2017. Même si l’événement était visible sur une portion inhabituellement large des États-Unis, il s’est produit à un moment où l’activité solaire diminuait, ce qui veut dire que la couronne, qui constitue pourtant un des attraits principaux d’une éclipse, était plutôt timide ce jour-là.

En temps normal, la couronne est invisibilisée par la lumière du Soleil, bien qu’elle s’étende sur des millions de kilomètres depuis sa surface. Mais quand le Soleil est occulté lors d’une éclipse, les spectateurs peuvent discerner une fine gaine aux airs de halo scintillant qui orne le disque lunaire.

Lors des éclipses qui surviennent au cours du minimum solaire, on peut apercevoir des raies de lumière près de l’équateur solaire, et parfois une poignée de petits filaments scintiller près du bord de la Lune. Mais au maximum solaire, la couronne aura des allures plus théâtrales.

« Vous allez voir pas mal de ces raies spectrales, non seulement aux latitudes équatoriales, mais aussi vers les pôles, explique Madhulika Guhathakurta. Et on pourrait bien observer quelques protubérances ou des arcades. »

Ces jets de lumières et autres élégances solaires ne seront pas visibles avant que la Lune ait occulté en totalité la face du Soleil, unique moment où il n’est pas dangereux de regarder notre étoile sans lunettes. Pour admirer le spectacle de la Lune qui glisse sur le disque solaire, qui projette son croissant sur les trottoirs et qui installe son crépuscule oppressant, il faut se protéger les yeux avec des lunettes. Même nos sondes les plus intrépides sont lourdement protégées pour observer le Soleil.

Le moment venu, la couronne se mettra à flamboyer derrière la Lune, ses arcades et ses boucles délicates déligneront des lignes de champ magnétiques autrement invisibles, et jetteront un jour nouveau sur une énigme que la science est sur le point de percer.

 

Cet article a initialement paru sur le site nationalgeographic.com en langue anglaise.

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