LESIA - Observatoire de Paris

Des pièges à ions multichargés dans la Couronne solaire

vendredi 30 mars 2018

Pourquoi l’atmosphère externe du Soleil, la couronne solaire, étendue mais très peu dense, est-elle beaucoup plus chaude que les couches de surface plus basses et denses ? Cela reste une question posée aux scientifiques.

Un article de G. Fleishman et al., actuellement sous presse dans "The Astrophysical Journal" et co-écrit par des membres du pôle solaire du LESIA, montre à partir d’observations qu’une partie seulement de la matière des boucles coronales est visible dans l’ultraviolet observé par les satellites (le rayonnement ultraviolet est arrêté par l’atmosphère terrestre). De la matière reste invisible aux observations. Le phénomène serait dû, selon les auteurs, au piégeage des ions multichargés dans un des pieds de la boucle, où ces ions, responsables de l’émission ultraviolette, viendraient se concentrer, au détriment du sommet et de l’autre pied de la boucle qui seraient donc rendus invisibles.

Les pièges à ions se situent au pied des boucles coronales, du côté des (...)
Les pièges à ions se situent au pied des boucles coronales, du côté des courants électriques montants

Crédits SDO/NASA

Ainsi, la répartition des ions multichargés dans la couronne solaire serait rendue inhomogène par l’existence de ce piège. Cela expliquerait la densité globale des ions, plus faible que la densité mesurée par leurs émissions, qui est locale. Un écart notable avait en effet été noté dans l’abondance de certains éléments (ceux facilement ionisables) entre la surface solaire et la couronne, que l’existence de ce piège pourrait expliquer par les inhomogénéités spatiales qu’il induit.

Ainsi aussi, il y aurait dans la couronne des boucles et de la matière qui ne se manifeste pas de manière visible mais néanmoins constituent un réservoir d’énergie libre, suspecté par les théoriciens dans leurs bilans énergétiques des éruptions solaires (Aschwanden, Xu & Jing, 2014). En effet, les boucles coronales sont situées au-dessus des régions actives où se produisent les éruptions.

L’explication proprement dite du piège est la suivante. Il a été remarqué que les émissions UV se situent préférentiellement au-dessus des zones de courant électrique photosphérique [1] montant (composante de vecteur densité de courant Jz > 0). Dans leur article, Gregory Fleishman, du New Jersey Institute of Technology (USA), et ses collaborateurs ont proposé une explication théorique de cette dissymétrie. Le courant va du pôle + (Jz > 0) au pôle - (Jz < 0) en suivant une boucle coronale. Les électrons libres du plasma de la boucle, qui sont chargés négativement, sont donc attirés côté pôle +, c’est-à-dire qu’ils remontent le courant. De manière très contre-intuitive, ils entraînent avec eux vers le pôle + les ions positifs multichargés, parce que la force d’entraînement est proportionnelle à la charge Z de l’ion au carré (Gurevich 1961, Holman 1995, Fleishman & Toptygin 2013) tandis que la force électrique qui, elle, ferait descendre le courant à ces ions vers le pôle - puisqu’ils sont positifs, n’est proportionnelle qu’à la charge Z. Si Z > 1, c’est-à-dire si l’ion est multichargé, la force d’entraînement domine. Alors ces ions descendent vers la photosphère à l’extrémité Jz > 0 de la boucle de courant. Comme les couches plus basses de l’atmosphère solaire sont plus froides que la couronne, les ions se recombinent alors avec les électrons qui les entraînaient et leur charge Z diminue. Lorsqu’ils atteignent l’état de charge Z=1, cela s’inverse, la force électrique devient dominante et ils sont renvoyés vers le haut (et vers le pôle -), où ils s’ionisent de nouveau sous l’effet de la température et tout recommence. C’est le piège à ions.

C’est en superposant des cartes d’émission UV des ions multichargés et de courant électrique photosphérique, que la dissymétrie +/- a été mise en évidence dans les rubans d’éruptions solaires. Cette superposition a été effectuée au pôle solaire du LESIA de l’Observatoire de Paris. C’est en regardant ainsi le même objet sous différents aspects, que l’astrophysique moderne peut progresser.

Région active AR 11158, au moment de l'éruption X2.2 du 15 février (...)
Région active AR 11158, au moment de l’éruption X2.2 du 15 février 2011

Superposition de la carte de composante verticale de la densité de courant électrique photosphérique (montant en rouge, descendant en bleu) et de l’émission UV observée par SDO/AIA dans la bande 171 Å (zones grises). La superposition a été réalisée par Sophie Musset en stage M2 au pôle solaire du LESIA. La carte de courant électrique a été réalisée au pôle solaire du LESIA de l’Observatoire de Paris en appliquant le code d’inversion UNNOFIT (Landolfi et al., 1984 ; Bommier et al., 2007) aux données de SDO/HMI.

Références

  • Article "Ion Traps at the Sun : Implications for Elemental Fractionation", Fleishman, G., Musset S., Bommier V., Glesener L., ApJ in press, https://arxiv.org/abs/1803.02851

Contact LESIA


Notes

[1la photosphère est la couche superficielle du Soleil