Étudier l'atmosphère du soleil le jour de l'éclipse

Une éclipse solaire totale offre aux scientifiques une occasion rare d’étudier les régions basses de la couronne solaire. Ces observations peuvent nous aider à comprendre l'activité solaire, ainsi que les températures exceptionnellement élevées dans la couronne. Image via NASA / S. Habbal, M. Druckmüller et P. Aniol.

Par Sarah Frazier, centre de vol spatial Goddard de la NASA

Une éclipse solaire totale se produit quelque part sur Terre environ tous les 18 mois. Mais comme la surface de la Terre est principalement constituée d’océan, la plupart des éclipses ne sont visibles sur la terre que pendant une courte période, voire pas du tout. L'éclipse totale de soleil du 21 août 2017 est différente: son chemin s'étend sur la terre ferme pendant près de 90 minutes, offrant aux scientifiques une occasion sans précédent de prendre des mesures scientifiques à partir du sol.

Eclipse totale de Soleil du 21 août 2017: tout ce que vous devez savoir

Lorsque la lune se déplacera devant le soleil le 21 août, elle masquera complètement le visage brillant du soleil. Cela est dû à une coïncidence céleste - bien que le soleil soit environ 400 fois plus large que la lune, la lune du 21 août sera environ 400 fois plus proche de nous, rendant leur taille apparente dans le ciel presque égale. En fait, la lune nous paraîtra légèrement plus grande que le soleil, ce qui lui permettra d’obscurcir totalement le soleil pendant plus de deux minutes et demie à certains endroits. S'ils avaient exactement la même taille apparente, l'éclipse totale ne durerait qu'un instant.

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Une éclipse solaire totale permet aux chercheurs de la NASA d’essayer une technologie qui pourrait un jour aider au développement de futures missions. Cependant, ils doivent mener à bien l’expérience en quelques minutes à peine, deux pour être exact. Via le centre de vol spatial Goddard de la NASA / Genna Duberstein.

L'éclipse révélera l'atmosphère extérieure du soleil, appelée couronne, qui est autrement trop sombre pour être visible à côté du soleil éclatant. Bien que nous étudions la couronne de l'espace avec des instruments appelés coronographes - qui créent des éclipses artificielles en utilisant un disque en métal pour bloquer le visage du soleil - il reste encore certaines régions inférieures de l'atmosphère solaire visibles uniquement pendant les éclipses solaires totales. En raison d'une propriété de la lumière appelée diffraction, le disque d'un coronographe doit bloquer à la fois la surface du soleil et une grande partie de la couronne afin d'obtenir des images nettes. Mais parce que la lune est si éloignée de la Terre - environ 230 000 km de distance pendant l'éclipse - la diffraction n'est pas un problème, et les scientifiques sont capables de mesurer la couronne inférieure dans les moindres détails.

La NASA tire parti de l'éclipse du 21 août 2017 en finançant 11 enquêtes scientifiques au sol menées aux États-Unis. Six d'entre elles se concentrent sur la couronne solaire.

La source de la météo spatiale

Notre soleil est une étoile active qui libère en permanence un flux de particules chargées et de champs magnétiques appelés le vent solaire. Ce vent solaire, ainsi que des éruptions discrètes de matériau solaire connu sous le nom d'éjections coronales, peuvent influer sur le champ magnétique de la Terre, envoyer des particules s'abattre sur notre atmosphère et, lorsqu'il est intense, influer sur les satellites. Bien que nous puissions suivre ces éruptions solaires quand elles quittent le soleil, la clé pour prédire quand elles se produiront pourrait être d'étudier leurs origines dans l'énergie magnétique stockée dans la couronne inférieure.

Une équipe dirigée par Philip Judge de l'observatoire de haute altitude de Boulder, au Colorado, utilisera de nouveaux instruments pour étudier la structure du champ magnétique de la couronne en réalisant une image de cette couche atmosphérique pendant l'éclipse. Les instruments vont imager la couronne pour voir les empreintes digitales laissées par le champ magnétique dans les longueurs d'onde visibles et dans l'infrarouge proche depuis le sommet d'une montagne près de Casper, dans le Wyoming. Un instrument, POLARCAM, utilise une nouvelle technologie basée sur les yeux de la crevette mante pour obtenir de nouvelles mesures de polarisation et servira de preuve du concept pour une utilisation dans les futures missions spatiales. La recherche permettra de mieux comprendre comment le soleil génère la météo spatiale. Le juge a dit:

Nous souhaitons comparer les données infrarouges capturées aux données ultraviolettes enregistrées par l’Observatoire Solar Dynamics de la NASA et par le satellite Hinode JAXA / NASA. Ce travail confirmera ou réfutera notre compréhension de la formation de la lumière sur tout le spectre de la couronne, aidant peut-être à résoudre certains désaccords tenaces.

Les résultats de la caméra complèteront les données d'une étude aéroportée sur la couronne dans l'infrarouge, ainsi que d'une autre étude infrarouge au sol dirigée par Paul Bryans à l'observatoire de haute altitude. Bryans et son équipe vont s'asseoir dans une remorque au sommet de Casper Mountain dans le Wyoming et diriger un instrument spécialisé vers l'éclipse. L'instrument est un spectromètre, qui collecte la lumière du soleil et sépare chaque longueur d'onde de la lumière en mesurant son intensité. Ce spectromètre, appelé interféromètre aéroporté NCAR, analysera pour la première fois la lumière infrarouge émise par la couronne solaire. Bryant a déclaré:

Ces études sont complémentaires. Nous aurons les informations spectrales, qui révèlent les longueurs d'onde constitutives de la lumière. Et l’équipe de Philip Judge aura la résolution spatiale nécessaire pour indiquer l’origine de certaines caractéristiques.

Ces nouvelles données aideront les scientifiques à caractériser le champ magnétique complexe de la couronne, des informations cruciales pour comprendre et éventuellement aider à prévoir les phénomènes météorologiques spatiaux. Les scientifiques enrichiront leur étude en analysant leurs résultats, ainsi que les observations spatiales correspondantes d'autres instruments embarqués à bord de l'observatoire Solar Dynamics de la NASA et de la jointure NASA / JAXA Hinode.

À Madras, en Oregon, une équipe de scientifiques de la NASA dirigée par Nat Gopalswamy au Centre de vol spatial Goddard de la NASA à Greenbelt, dans le Maryland, dirigera une nouvelle caméra de polarisation spécialisée vers la faible atmosphère extérieure du soleil, la couronne., en prenant des expositions de plusieurs secondes à quatre longueurs d’onde sélectionnées en un peu plus de deux minutes. Leurs images captureront des données sur la température et la vitesse du matériau solaire dans la couronne. Actuellement, ces mesures ne peuvent être obtenues qu'à partir d'observations basées sur la Terre lors d'une éclipse totale de soleil.

Pour étudier la couronne à des moments et à des endroits extérieurs à une éclipse totale, les scientifiques utilisent des coronographes, qui imitent les éclipses en utilisant des disques solides pour bloquer le soleil, de la même manière que l'ombre de la lune. Les coronagraphes typiques utilisent un filtre polariseur dans un mécanisme qui tourne selon trois angles, l'un après l'autre, pour chaque filtre de longueur d'onde. La nouvelle caméra est conçue pour éliminer ce processus fastidieux et fastidieux en incorporant des milliers de minuscules filtres de polarisation pour lire simultanément la lumière polarisée dans différentes directions. Le test de cet instrument est une étape cruciale dans l’amélioration des coronographes et, finalement, dans notre compréhension de la couronne, la racine même du rayonnement solaire qui remplit l’environnement spatial de la Terre.

L'observatoire solaire et héliosphérique de la NASA, ou SOHO, observe en permanence les régions extérieures de la couronne solaire. Lors de l'éclipse du 21 août 2017, les scientifiques observeront les régions inférieures de la couronne solaire afin de mieux comprendre la source des explosions solaires appelées éjections de masse coronale, ainsi que les températures exceptionnellement élevées qui règnent dans la couronne. Image via ESA / NASA / SOHO.

Chauffage coronale inexpliqué

La réponse à un autre mystère réside également dans la partie inférieure de la couronne: on pense que cette question de savoir comment l’atmosphère solaire atteint des températures aussi élevées et inattendues reste secrète. La couronne solaire est beaucoup plus chaude que sa surface, ce qui est contre-intuitif, car l’énergie du soleil est générée par la fusion nucléaire en son centre. Habituellement, les températures baissent constamment lorsque vous vous éloignez de cette source de chaleur, de la même manière qu'il se refroidit lorsque vous vous éloignez d'un feu, mais pas dans le cas de l'atmosphère du soleil. Les scientifiques soupçonnent que des mesures détaillées de la manière dont les particules se déplacent dans la couronne inférieure pourraient les aider à découvrir le mécanisme qui produit cet énorme chauffage.

Padma Yanamandra-Fisher de l’Institut des sciences de l’espace mènera une expérience visant à prendre des images de la couronne inférieure en lumière polarisée. La lumière polarisée se produit lorsque toutes les ondes lumineuses sont orientées de la même manière, et elle est produite lorsque la lumière ordinaire non polarisée traverse un milieu - dans ce cas, les électrons de la couronne solaire interne. Yanamandra-Fisher a déclaré:

En mesurant la luminosité polarisée de la couronne solaire interne et en utilisant une modélisation numérique, nous pouvons extraire le nombre d'électrons le long de la ligne de mire. Essentiellement, nous cartographions la distribution des électrons libres dans la couronne solaire interne.

Cartographier la couronne interne dans une lumière polarisée pour révéler la densité des élections est un facteur critique dans la modélisation des ondes coronales, une source possible de chauffage coronal. Outre les images lumineuses non polarisées recueillies par le projet scientifique citoyen Citizen CATE financé par la NASA, qui rassemblera des images éclipse de partout au pays, ces mesures de lumière polarisée pourraient aider les scientifiques à résoudre le problème des températures inhabituellement élevées de la couronne solaire.

Shadia Habbal, de l'Institut d'astronomie de l'Université d'Hawaï à Honolulu, dirigera une équipe de scientifiques chargée de représenter le soleil pendant l'éclipse totale de soleil. Le long trajet terrestre de l'éclipse permet à l'équipe d'imaginer le soleil à partir de cinq sites répartis dans quatre états différents, distants d'environ 600 km, ce qui leur permet de suivre les changements à court terme dans la couronne et d'augmenter les chances de beau temps.

Ils utiliseront des spectromètres, qui analysent la lumière émise par différents éléments ionisés de la couronne. Les scientifiques utiliseront également des filtres uniques pour l’image sélective de la couronne dans certaines couleurs, ce qui leur permettra d’enquêter directement sur la physique de l’atmosphère extérieure du soleil.

Avec ces données, ils peuvent explorer la composition et la température de la couronne et mesurer la vitesse des particules sortant du soleil. Différentes couleurs correspondent à différents éléments - nickel, fer et argon - qui ont perdu des électrons ou ont été ionisés sous la chaleur extrême de la couronne et chaque élément s'ionise à une température spécifique. En analysant ensemble ces informations, les scientifiques espèrent mieux comprendre les processus qui chauffent la couronne.

Amir Caspi du Southwest Research Institute de Boulder, dans le Colorado, et son équipe utiliseront deux des jets de recherche WB-57F de la NASA pour l'observation à l'aide de télescopes jumeaux montés sur le nez des avions. Ils captureront les images les plus claires de l'atmosphère extérieure du soleil - la couronne - à ce jour et les toutes premières images thermiques de Mercure, révélant les variations de température à la surface de la planète. En savoir plus sur cette étude ici.

Conclusion: les scientifiques de la NASA étudieront l'atmosphère du soleil lors de l'éclipse totale de Soleil du 21 août 2017.