Vent solaire : un indice sur l’origine de ses brusques demi-tours

Le 2 mars 2022, Solar Orbiter croisait à environ 0,55 unité astronomique du Soleil (l’unité astronomique est la distance moyenne entre la Terre et le Soleil), à peu près à mi-chemin entre la Terre et notre étoile, quand ses instruments ont vu le champ magnétique se retourner. Pendant une heure et demie, de 20 h 25 à 21 h 55 (temps universel), la sonde de l’Agence spatiale européenne (ESA) a baigné dans une seule et même structure : un « switchback ». Plus de quatre ans plus tard, l’analyse de cette traversée paraît dans Nature Astronomy, en libre accès, et l’ESA l’a présentée le 8 octobre. Elle apporte une réponse, partielle mais argumentée, à une question ouverte depuis le passage de Parker Solar Probe près du Soleil.

Un champ magnétique qui fait demi-tour

Le Soleil souffle en permanence un vent de particules chargées, le vent solaire, qui entraîne avec lui les lignes de son champ magnétique dans tout le système solaire. En temps normal, ces lignes s’étirent vers l’extérieur. Un switchback (« lacet », comme sur une route de montagne) est un endroit où la ligne se replie brusquement sur elle-même, au point de pointer de nouveau vers le Soleil, avant de reprendre sa direction : un pli en forme de S.

Le phénomène n’est pas nouveau. Les sondes germano-américaines Helios 1 et 2 avaient enregistré ces inversions soudaines au milieu des années 1970, rappelait l’ESA en 2022. Mais leur nombre a explosé avec l’arrivée de Parker Solar Probe, la sonde de la NASA lancée en 2018 pour frôler le Soleil. Dans les premiers résultats publiés le 4 décembre 2019 dans Nature, la NASA décrivait un champ qui « se retourne » jusqu’à pointer presque droit vers le Soleil, pendant « de quelques secondes à plusieurs minutes ». Le repli traversé par Solar Orbiter est bien plus long, et l’étude souligne cette durée inhabituelle.

Né près du Soleil ou formé en chemin ?

Deux familles d’explications s’affrontaient. La première place la naissance du switchback au ras du Soleil. Dans la couronne, l’atmosphère extérieure du Soleil, faite d’un gaz porté à environ un million de degrés, certaines régions ont des lignes de champ « ouvertes », qui partent vers l’espace et laissent filer le vent. D’autres forment des boucles « fermées », qui retombent sur la surface et y retiennent un plasma très chaud (un gaz dont les atomes ont perdu des électrons). Quand une boucle fermée rencontre une ligne ouverte, les deux peuvent se rompre et se reconnecter autrement : c’est la reconnexion d’interchange. Le plasma jusque-là piégé s’échappe alors. En 2021, une équipe menée par Stuart Bale, partie des observations de Parker Solar Probe, proposait ainsi une origine dans des « événements de reconnexion d’interchange » juste au-dessus de la région de transition, dans la basse atmosphère du Soleil. Cette région de transition est une couche « fine et très irrégulière », selon la NASA, où la température passe brutalement d’environ 20 000 °C à un million de degrés : c’est la frontière entre les couches basses de l’atmosphère solaire et la couronne.

La seconde famille fait naître les switchbacks en route. Le vent solaire transporte des ondes d’Alfvén, des ondulations du champ magnétique qui se propagent le long des lignes. En simulant un vent qui s’étale en s’éloignant du Soleil, Jonathan Squire et ses collègues ont montré dès janvier 2020 que ces ondes grandissent jusqu’à produire des replis : selon eux, les switchbacks se forment « in situ », c’est-à-dire en chemin, et ne signalent pas de phénomène brutal dans la couronne.

En mars 2022, l’instrument Metis de Solar Orbiter avait photographié de loin un pli en S dans la couronne, la première image d’un switchback selon l’ESA. L’agence titrait alors sur un « mystère » résolu et y voyait le signe d’une origine « près de la surface du Soleil ». Mais une image montre une forme, pas ce qui l’a produite : le mécanisme de formation « reste une question ouverte », écrivent encore les auteurs de l’étude publiée en 2026.

Des ions qui gardent la mémoire de leur four

L’équipe menée par Jesse Coburn, chercheur à l’University College London et au Laboratoire de physique des plasmas (LPP, CNRS, Palaiseau), ne s’est pas contentée de la forme. Elle a lu la composition du plasma avec l’analyseur de vent solaire SWA de la sonde, et en particulier son capteur d’ions lourds.

Le principe : près du Soleil, les atomes d’oxygène ou de carbone perdent plus ou moins d’électrons selon la température et la densité du milieu. Quand ces atomes chargés, les ions, s’échappent, leur nombre d’électrons manquants, appelé « état de charge », se fige. L’étude le résume ainsi : en général, une température plus élevée dans la couronne correspond à des états de charge plus élevés. Un ion capté à des dizaines de millions de kilomètres garde donc la trace du four où il a été chauffé.

Dans le switchback, la part d’ions d’oxygène et de carbone ayant perdu le plus d’électrons montait nettement, et l’hélium était appauvri par rapport aux protons. Pour les auteurs, cette signature indique un plasma issu de « boucles coronales chaudes et fermées ». Un autre indice montre qu’il s’agissait bien d’un repli. Les électrons les plus rapides, qui filent depuis le Soleil le long des lignes de champ, ont gardé la même orientation par rapport au champ pendant son inversion : ils suivaient la ligne repliée sur elle-même, ce qui écarte une ligne venue d’une autre région du Soleil, orientée dans l’autre sens.

Restait à situer la source. Les chercheurs ont construit un modèle de la couronne, alimenté par les mesures de température et de densité tirées des images du satellite américain Solar Dynamics Observatory, pour prédire quels états de charge chaque région pouvait produire. Le résultat désigne « soit une bordure de trou coronal, soit des boucles à l’intérieur du trou coronal ». Un trou coronal est une zone de la couronne qui paraît sombre sur les images en ultraviolet, parce que plus froide et moins dense, et dont les lignes de champ sont ouvertes : le vent solaire s’en échappe plus facilement, et plus vite, selon le centre de prévision de la météo spatiale américain (NOAA). La source serait donc soit à la frontière entre ces lignes ouvertes et des boucles fermées, soit dans des boucles nichées au milieu de la région ouverte.

Une naissance par reconnexion, un voyage porté par les ondes

La signature chimique pointe vers la reconnexion d’interchange. « Le mélange particulier de particules détecté par Solar Orbiter est la preuve décisive d’un processus de formation appelé reconnexion d’interchange », affirme Jesse Coburn dans le communiqué de l’ESA.

Mais la vitesse des protons et les fluctuations du champ dans le switchback sont aussi, selon l’article, « en accord avec une onde d’Alfvén » se propageant vers l’extérieur. D’où la conclusion : la reconnexion gouverne la naissance, les ondes ou la turbulence la propagation. « Une fois que le switchback a quitté le Soleil, les ondes et la turbulence prennent le relais et gouvernent son déplacement », résume Stephanie Yardley (Northumbria University), coautrice. Pour cet événement, l’étude place donc la naissance du switchback dans la couronne, à rebours de l’idée d’une formation en route, et ne laisse aux ondes que le rôle du transport.

Ce que dit l’article, et ce que dit le communiqué

Le communiqué de l’ESA est plus catégorique que l’étude. L’agence écrit que le mélange d’ions n’a pu se former « que d’une seule manière ». Les auteurs, eux, écrivent que leurs résultats « suggèrent » ce partage des rôles, et que plutôt que de déterminer l’origine précise du switchback, ils utilisent les points de départ calculés par les modèles « comme indication ». Le lien magnétique entre la sonde et la surface repose en effet sur des modèles, avec leurs hypothèses.

Surtout, tout repose sur un événement unique, exceptionnellement long. Pour les replis plus courts observés le même jour, la variation de l’hélium est « de l’ordre de l’erreur » de mesure. Les auteurs le disent sans détour : des études statistiques plus larges, et de futures missions dotées d’instruments d’ions lourds plus performants, sont nécessaires. Rien ne garantit encore que tous les switchbacks naissent ainsi.

Du chauffage de la couronne à la météo spatiale

L’intérêt dépasse ces replis. Si les switchbacks gardent une empreinte mesurable de leur source, ils deviennent des messagers : on peut lire, loin du Soleil, l’histoire du plasma qui les compose. L’article y voit un moyen d’étudier les processus qui chauffent l’atmosphère solaire et accélèrent le vent solaire, deux questions centrales de la physique du Soleil.

C’est aussi ce vent qui relie la Terre à son étoile, et l’ESA rattache le résultat à la météo spatiale. « Plus nous en savons, mieux nous pouvons nous préparer aux tempêtes solaires pour protéger nos infrastructures et nos technologies spatiales », plaide Daniel Müller, responsable scientifique de Solar Orbiter à l’ESA. Le lien entre cette mesure et une meilleure prévision reste toutefois indirect : l’étude améliore la compréhension du vent, elle ne fournit pas d’outil d’alerte.

Le travail compte aussi des contributions françaises au-delà du LPP : un coauteur du LPC2E d’Orléans (CNRS, CNES, université d’Orléans), chargé d’une partie de l’analyse des données, et deux de l’Institut de recherche en astrophysique et planétologie de Toulouse, crédités pour le travail expérimental. Le CNES et le CNRS figurent parmi les financeurs des capteurs de SWA.

Solar Orbiter, mission de l’ESA menée en coopération avec la NASA et lancée en février 2020, approche le Soleil à 42 millions de kilomètres. Selon l’ESA, aucune autre sonde ne réunit à la fois cette proximité et les instruments nécessaires pour établir un tel lien. Reste à savoir, au fil d’autres traversées, si le scénario du 2 mars est la règle ou une exception.

Les citations en anglais sont traduites par la rédaction.