Depuis plus de trente ans, les physiciens du Soleil butent sur une énigme : pourquoi le champ magnétique emporté par le vent solaire se plie-t-il parfois en un coude brutal, en forme de S, avant de reprendre sa direction initiale? Ces structures, baptisées « switchbacks » (littéralement des « lacets » ou des « virages en épingle »), viennent de livrer une partie de leur secret. Selon l'Agence spatiale européenne (ESA), la sonde Solar Orbiter a traversé l'un de ces coudes magnétiques et, en analysant les particules qu'il contenait, a pu remonter jusqu'à son point d'origine : la surface du Soleil.
Un vent solaire qui n'est pas aussi lisse qu'on le croyait
Le vent solaire est un flux continu de particules chargées, surtout des électrons et des protons, qui s'échappe de la couronne, l'atmosphère extérieure de notre étoile, et balaie tout le système solaire. Il entraîne avec lui le champ magnétique du Soleil, dont les lignes s'étirent loin dans l'espace. On l'imagine volontiers comme un courant relativement régulier, orienté vers l'extérieur.
La réalité est plus tourmentée. Dans certaines régions, la direction du champ magnétique s'inverse brièvement, comme si une ligne de champ se repliait sur elle-même avant de se redresser. C'est ce qu'on appelle un switchback. Observés de manière ponctuelle depuis longtemps, ces phénomènes sont apparus comme omniprésents lorsque des sondes ont pu s'approcher beaucoup plus près du Soleil, notamment la Parker Solar Probe de la NASA, qui en a révélé la fréquence dans la proche couronne.
L'empreinte digitale des particules
La difficulté tenait à l'origine de ces structures. Deux grandes familles d'explications s'affrontaient : selon la première, les switchbacks seraient créés en route, par des turbulences ou des instabilités dans le vent solaire lui-même; selon la seconde, ils naîtraient directement à la surface du Soleil, lors de processus de reconnexion magnétique, et seraient ensuite propulsés vers l'espace.
Pour trancher, l'équipe s'est appuyée sur une méthode qui tient de l'enquête policière. Les particules du vent solaire portent en elles une composition qui dépend de leur lieu de naissance : la proportion de certains ions varie selon que le plasma provient d'une région de la surface solaire plutôt qu'une autre. En « prenant les empreintes » des particules à l'intérieur du switchback, Solar Orbiter a pu comparer leur signature à celle des matériaux attendus pour différentes régions du Soleil, et en déduire leur provenance.
Selon l'ESA, ce travail a permis de relier ce coude magnétique à la surface solaire, plutôt qu'à un phénomène apparu en cours de route dans le vent. Ce résultat va dans le sens des modèles qui font de la surface du Soleil, et des reconnexions magnétiques qui s'y produisent, le berceau au moins de certains switchbacks.
Pourquoi cette sonde était la mieux placée
Solar Orbiter, mission menée par l'ESA en collaboration avec la NASA, n'est pas un simple observateur lointain. Elle embarque à la fois des instruments d'imagerie, qui regardent le Soleil à distance, et des instruments « in situ », qui mesurent directement le champ magnétique et les particules au passage de la sonde. C'est cette double capacité qui rend possible le raccord entre ce qui se passe à la surface et ce qui est mesuré dans l'espace.
Sa trajectoire, qui l'amène périodiquement à l'intérieur de l'orbite de Mercure, lui permet de s'approcher du Soleil tout en conservant des instruments de télédétection protégés par un bouclier thermique. Elle complète ainsi les mesures de la Parker Solar Probe, qui plonge encore plus près mais ne dispose pas de la même panoplie d'imageurs. Des approches complémentaires, donc, plutôt qu'une course entre agences.
Ce que cela dit du magnétisme solaire
L'enjeu dépasse la curiosité de spécialistes. Le magnétisme solaire est le moteur des éruptions et des éjections de masse coronale, ces bouffées de plasma qui, lorsqu'elles atteignent la Terre, peuvent perturber les satellites, les communications radio et les réseaux électriques. L'ESA présente d'ailleurs le champ magnétique du Soleil comme l'instigateur indiscipliné des tempêtes solaires dangereuses.
Comprendre comment l'énergie magnétique est stockée, libérée et transportée dans le vent solaire est donc au cœur des efforts de prévision de la météorologie spatiale. Les switchbacks sont l'un des indices de ces mécanismes : s'ils transportent bel et bien l'empreinte d'événements survenus à la surface du Soleil, ils pourraient aider à comprendre comment le vent est chauffé et accéléré, une autre énigme persistante de la physique solaire, puisque la couronne est des centaines de fois plus chaude que la surface qu'elle surmonte.
Une réponse partielle, pas un point final
Il convient de rester prudent sur la portée de la découverte. Le résultat décrit par l'ESA repose sur le suivi d'un switchback précis. Il démontre qu'au moins certaines de ces structures ont une origine solaire, mais il ne règle pas la question pour l'ensemble des switchbacks observés. Rien n'exclut que plusieurs mécanismes coexistent, certains coudes naissant à la surface, d'autres se formant ou s'amplifiant ensuite dans le vent en expansion.
Les prochaines orbites de Solar Orbiter, qui doivent l'amener à observer le Soleil sous des angles de plus en plus inclinés, y compris vers ses régions polaires encore jamais imagées de près, fourniront de nouvelles occasions de recouper les mesures. Chaque traversée supplémentaire permettra de tester si la méthode de l'empreinte des particules fonctionne de façon systématique, et de dresser une statistique plutôt qu'un cas isolé.
Un maillon dans une chaîne de découvertes
Cette avancée s'inscrit dans une période féconde pour la physique solaire, nourrie par la proximité inédite des sondes avec leur astre et par la complémentarité des missions européennes et américaines. Elle rappelle aussi la valeur des approches combinant observation à distance et mesures directes : c'est en reliant ce que l'on voit sur le Soleil à ce que l'on touche dans le vent solaire que l'on peut enfin remonter la piste d'un phénomène.
Pour le grand public, l'image à retenir est celle d'un fil magnétique qui, parti de la surface du Soleil, garde en mémoire la forme de sa naissance jusqu'au cœur du système solaire. Un indice minuscule, à l'échelle de l'astre, mais qui rapproche un peu plus les chercheurs d'une compréhension complète de l'étoile qui règle la vie de notre environnement spatial.