Vents solaires et nuages magnétiques : comment étudier et prédire la météo de l’espace ?

Est-il possible de propulser un vaisseau spatial à l’aide d’une voile comme dans Star Trek ? Si la technologie n’est que fiction, le vent qui le pousse est lui bien réel. En effet, le milieu interplanétaire n’est pas aussi paisible qu’on se l’imagine habituellement. Il est balayé par des vents, traversé de nuages et constitue parfois même le lieu de tempêtes. Ces phénomènes météorologiques ne sont toutefois pas similaires à ceux observés dans l’atmosphère terrestre et pour cause, ils n’ont pas la même origine : ils émanent du Soleil.

L’astre solaire forme une immense boule de plasma - un quatrième état de la matière – d’un diamètre d’environ 1,4 million de kilomètres, soit 110 fois celui de la Terre. En son centre, se déroulent des réactions de fusion nucléaire, qui transforment les atomes d’hydrogène en atomes d’hélium. Ces réactions sont dites exothermiques : elles génèrent de la chaleur. Celle-ci se transmet par rayonnement puis par convection depuis l’intérieur vers l’extérieur de l’étoile, jusqu’à atteindre l’atmosphère solaire et ses différentes couches. La photosphère, d’une épaisseur de 500 km, représente la couche superficielle du Soleil, émettrice de lumière et qui en constitue la surface visible. Puis viennent la chromosphère, la couche moyenne de l’atmosphère, d’une épaisseur, d’environ 1 000 km et visible en rouge lors des éclipses totales, et la couronne, la couche la plus externe et d’une épaisseur beaucoup plus vaste, qui s’étend sur près de 10 millions de kilomètres. C’est là, dans cette atmosphère solaire, qu’ont lieu vents, tempêtes ou éruptions.

Un champ magnétique généré par effet dynamo

Le Soleil, tel un aimant colossal, possède par ailleurs son propre champ magnétique à grande échelle, similaire à celui de la Terre. Il provient de ce qu’on appelle l’effet dynamo. « C’est comme dans une dynamo de vélo », compare Barbara Perri, chercheuse au Laboratoire de dynamique des étoiles, des exoplanètes et de leur environnement (LDE3) au sein du Département d’astrophysique (DAp - Univ. Paris-Saclay/CEA). « Pédaler fait bouger un petit aimant à l’intérieur d’une bobine. On transforme alors de l’énergie cinétique en énergie électromagnétique. » Le courant électrique ainsi créé éclaire les lampes du vélo. Le Soleil n’étant pas solide, c’est la rotation différentielle entre l’équateur et les pôles, et le cisaillement occasionné qui génèrent l’énergie cinétique à l’origine du courant électromagnétique.

Le champ magnétique du Soleil a toutefois quelque chose de particulier : il s’inverse de façon périodique, tous les onze ans. « On observe ce renversement depuis au moins quatre cents ans et il reste remarquablement régulier », note l’astrophysicienne. Ce cycle solaire est marqué par des changements d’activité du Soleil, dont les pics sont historiquement caractérisés par les variations d’abondance des taches sombres présentes à la surface de l’étoile. 

Pour comprendre ce que sont ces taches, il faut s’intéresser aux champs magnétiques locaux. Outre son champ magnétique global, le Soleil est le lieu de mouvements magnétiques à plus petite échelle. Ces perturbations locales ont pour effet de déstabiliser les mouvements de convection dans la photosphère, à la surface de l’astre. « Le champ magnétique local va empêcher la convection d’être aussi efficace qu’ailleurs, ce qui laisse la zone plus froide, donc plus dense et plus sombre », décrypte Éric Buchlin, chercheur à l’Institut d’astrophysique spatiale (IAS- Univ. Paris-Saclay/CNRS). Les champs magnétiques locaux étant plus intenses lors du maximum d’activité du Soleil, on observe alors davantage de taches sombres à sa surface.

Ce sont également ces phénomènes locaux qui sont à l’origine de l’échauffement de la couronne. Car si la surface du Soleil (photosphère) est à 5 800 kelvins (environ 5500°C), la température au sein de la couronne monte à un million de kelvins (K). Cette différence provient de l’énergie thermique libérée par les boucles magnétiques locales, qui entraînent également avec elles de la matière issue de la chromosphère. Ceci génère des filaments ou des éruptions dans l’atmosphère solaire.

Solar Orbiter, une mission pour observer le Soleil

Pour observer, depuis la Terre, l’activité du Soleil, les scientifiques font appel à de puissants télescopes. Mais de nombreux désagréments, comme la rotation de la Terre ou l’atmosphère terrestre, brouillent les détails de ces observations. Il leur faut donc envoyer des satellites dans l’espace, pour se rapprocher de l’étoile. C’est le cas de la mission Solar Orbiter portée par l’Agence spatiale européenne (ESA) et lancée en février 2020. Véritable laboratoire volant, ce satellite d’observation emporte avec lui dix instruments scientifiques destinés à étudier l’astre au plus près. Deux d’entre eux, EUI (Extreme ultraviolet imager) et SPICE (Spectral imaging of the coronal environment), ont été en partie conçus et sont maintenant opérés par les chercheurs et chercheuses de l’IAS.

EUI est un télescope capable de produire des images à haute résolution du disque et de l’atmosphère solaires. En plus de quatre heures, l’appareil prend une image du Soleil faite d’une mosaïque de vingt-cinq images avec un total de 83 millions de pixels, une résolution dix fois supérieure à un écran 4K classique. Il est issu d’une collaboration européenne portée par l’Observatoire royal de Belgique et impliquant l’IAS et l’Institut d’Optique Graduate School en ce qui concerne la conception de ses miroirs. Son avantage est d’opérer dans l’extrême ultraviolet, ce qui révèle les couches externes de l’atmosphère. Il exploite ainsi pleinement la différence de température entre les différentes couches.

La photosphère, plus « fraîche », émet surtout des rayonnements dans le domaine du visible. La chromosphère et la couronne, nettement plus chaudes, émettent, elles, des rayonnements principalement dans le domaine des ultraviolets. Dans le cas d’images prises dans le domaine du visible, ces couches apparaissent beaucoup moins lumineuses, car noyées par la photosphère. Elles demeurent quasi invisibles. Mais tout change dans l’extrême ultraviolet. « Les boucles, par exemple, y sont bien visibles car elles correspondent à des zones très chaudes (jusqu’à plusieurs millions de kelvins) », précise Éric Buchlin. Grâce à cela, les images des couches externes produites par EUI sont d’une grande précision. 

Voisin de EUI sur Solar Orbiter, l’instrument SPICE opère également dans l’extrême ultraviolet. Il s’agit cette fois-ci d’un spectromètre imageur, capable d’observer le Soleil à des longueurs d’onde bien spécifiques et de produire des spectrohéliogrammes, c’est-à-dire des images monochromatiques du Soleil à ces longueurs d’onde. En captant les rayonnements émis par différents atomes, cet instrument offre la possibilité de distinguer les émissions de l’hydrogène, du carbone, de l’oxygène ou encore du néon. C'est de cette façon que SPICE fournit la première image complète du Soleil dans la raie dite Lyman beta, une raie particulière du spectre d’émission de l’hydrogène. 

Le but de ces images est de mieux caractériser la dynamique du plasma dans les couches de l’atmosphère de l’astre, c’est-à-dire d’en diagnostiquer la température, la densité, la vitesse ou encore la composition, et ainsi de révéler ce qui s’y passe. Outre EUI et SPICE, l’Université Paris-Saclay est impliquée dans quatre autres instruments présents sur le satellite Solar Orbiter : PHI (Polarimetric and helioseismic imager), STIX (X-ray spectrometer/telescope), RPW (Radio and plasma wave analyser) et SWA (Solar wind analyser).

Des images inédites des pôles du Soleil

En plus de la qualité de ses instruments, Solar Orbiter suit une trajectoire toute particulière. Contrairement aux autres satellites déjà en orbite autour de l’étoile, Solar Orbiter n’est pas positionné sur l’écliptique, ce grand cercle sur la sphère céleste représentant la trajectoire annuelle du Soleil vue depuis la Terre. Son orbite est actuellement inclinée à 17° par rapport à ce plan. Cette inclinaison doit d’ailleurs augmenter au cours de la mission : « Solar Orbiter aura une inclinaison croissante qui atteindra 30° en fin de mission : on verra alors enfin les pôles solaires », confirme Éric Buchlin.

Car là est la plus-value de la trajectoire du satellite : offrir une meilleure vue des pôles nord et sud de l’étoile, dont l’observation est presque impossible depuis la Terre ou des autres satellites. C’est de cette façon qu’en juin dernier, Solar Orbiter a fourni les premières images du pôle sud solaire. L’instrument SPICE a alors suivi de façon précise les raies spectrales des différents atomes présents dans le Soleil et mesuré à quelle vitesse les masses de plasma se déplacent au sein des couches. L’étude de ces mouvements de plasma, à l’origine des vents solaires, se révèle très intéressante car elle fournit des informations sur la météo de l’espace et notamment l’accélération des vents solaires.

L’observation des pôles du soleil est par ailleurs très pertinente car ceux-ci sont à l’origine du dipôle magnétique de l’étoile. Collecter sur eux plus d’informations ouvre la voie à une meilleure compréhension du champ magnétique solaire. « Il y a un très grand potentiel d’exploration », confirme Éric Buchlin. « C’est de là que vient le champ magnétique principal et on pourra réellement le mesurer pour la première fois. » L’étude approfondira également les connaissances sur le cycle solaire de onze ans, à la fin duquel les pôles nord et sud s’inversent et le Soleil passe d’un état calme à un état actif et éruptif, et inversement. 

Des vents et des nuages dans le système solaire

Mais observer la surface du Soleil permet d’aller encore plus loin : cela sert aussi à comprendre les vents et nuages qui parcourent l’espace interplanétaire. Le vent solaire consiste en un plasma chaud, composé essentiellement d’atomes d’hydrogène, d’électrons et de protons, soit des particules électriquement chargées. « Ces particules sont accélérées par l’injection d’énergie qui se produit grâce au chauffage coronal. Il y a ainsi un écoulement de particules depuis le Soleil vers le milieu interplanétaire à des vitesses considérables », explique Barbara Perri. 

On distingue des vents dits lents, qui atteignent la Terre à une vitesse de 400 km par seconde, des vents rapides, qui se déplacent à 800 km par seconde. À titre de comparaison, le vent le plus rapide enregistré sur Terre a atteint une vitesse d’environ 0,1 km par seconde. La vitesse des vents solaires est en lien direct avec les lignes de champs magnétiques présentes à la surface du Soleil. « Lorsque le champ magnétique solaire est dit ouvert, c’est-à-dire qu’il a tendance à aller vers l’extérieur du Soleil, les particules sont accélérées et produisent du vent rapide. À l’inverse, si le vent se confronte à un champ magnétique dit fermé, c’est-à-dire qui reboucle sur lui-même,les particules sont ralenties et on observe du vent lent. » 

Bien que d’intensité et d’orientation variables, le vent est toujours présent dans le système solaire, comme une sorte de bruit de fond. À cet écoulement continu, s’ajoutent des évènements impulsifs qui se produisent très rapidement et de manière aléatoire ; les éruptions solaires par exemple, de grands flashs lumineux à la surface du Soleil. « Il s’agit d’une importante libération d’énergie magnétique sous forme de lumière et qui va accélérer tout ce qui est autour », décrit Barbara Perri. Ces éruptions solaires s’accompagnent parfois d’une libération de matière qui se trouve piégée dans le champ magnétique solaire. C’est ce qu’on appelle une éjection de masse coronale (ou CME). « On devrait plutôt dire "éjection coronale de masse", car bien que l’éjection se passe dans la couronne, la matière, elle, provient plutôt des couches inférieures », relève Éric Buchlin. 

Cette matière éjectée dans le milieu interplanétaire constitue alors des nuages magnétiques. Tout d’abord petits, lorsque proches du Soleil, ces nuages s’étendent et gagnent en taille au fur et à mesure de leur avancée dans le milieu interplanétaire, portés par le vent solaire. Ils deviennent dix à cent fois plus grands que la Terre, qu’ils ont ensuite une chance d’atteindre en fonction de la force, de l’orientation et des perturbations du vent. 

Modéliser les vents interplanétaires pour prévoir la météo solaire

C’est bien pour ces raisons que les scientifiques s’attachent à modéliser la météo solaire. Ils et elles espèrent prédire quand des évènements comme les CMEs risquent d’atteindre la planète bleue. « Le vent solaire est le principal vecteur de connexion entre le Soleil et la Terre. Tout évènement météorologique produit par l’étoile est transporté par ce vent », insiste Barbara Perri. Il n’est cependant pas possible de prévoir tous les évènements avec la même fiabilité. Lors d’une éruption solaire, le flash lumineux et les particules associées naviguent à une vitesse proche de celle de la lumière et atteignent la Terre en huit minutes. Ils sont donc très difficiles à prévoir. Les CME, plus lentes, mettent entre un à cinq jours pour rejoindre la Terre, ce qui rend l’horizon prédictif plus aisé et aide à les anticiper. « Dès qu’on voit quelque chose à la surface du Soleil, on lance des simulations ! », illustre la scientifique.

Barbara Perri et son équipe ont travaillé sur l’interaction entre le vent et les nuages pour comprendre comment ces derniers se propagent, et notamment comment le cycle solaire influence cette propagation. « On a pris exactement la même CME et on l’a confrontée à des vents de minimum ou de maximum d’activité solaire. » Grâce à ces prédictions, les chercheuses et chercheurs ont montré que bien qu’il y ait plus d’éruptions solaires lors du pic d’activité solaire, cela ne coïncide pas avec les évènements ayant le plus fort impact sur Terre. 

L’explication vient de l’effet du vent solaire. Au cours des minimums d’activité solaire, celui-ci est très structuré et joue un rôle clé dans l’orientation et la propagation du nuage. Un évènement intense,survenant loin du pic d’activité solaire, est donc plus facilement transporté jusqu’à la Terre. Au maximum d’activité solaire, au contraire, le bruit de fond étant extrêmement chaotique, le nuage a la possibilité d’être dévié ou redirigé, et de ne jamais atteindre la Terre. Cela montre l’importance de bien comprendre et caractériser le vent solaire car son influence sur les estimations est possiblement grande. Avoir des observations précises et fiables de la surface solaire garantit la qualité des prédictions.

C’est là qu’interviennent les satellites comme Solar Orbiter. « Grâce à ce nouveau satellite, on a accès pour la première fois depuis des années à la face cachée du Soleil. Pendant six mois de l’année, il nous donne les informations auxquelles nous n’avons pas accès depuis la Terre », explique Barbara Perri. Sur les images transmises par le satellite, les scientifiques ont d’ailleurs remarqué des structures qui apparaissent puis disparaissent. L’équipe du LDE3 a comparé la structure des vents solaires à l’aide de modélisations prenant en compte, ou non, ces données nouvelles. Les résultats obtenus par les deux simulations ont des différences notables, montrant l’intérêt d’avoir accès à la face cachée de l’étoile pour obtenir les modèles les plus fiables possibles.

Barbara Perri et son équipe prennent désormais part à un nouveau projet, WindTRUST, qui a pour but d’améliorer encore davantage la fidélité de leurs simulations. Dans ce cadre, ces scientifiques développent des modèles capables d’évoluer dans le temps et de prendre en compte les changements très rapides observés à la surface solaire. L’équipe travaille également sur l’évaluation des modèles : « On développe une batterie d’outils automatiques pour quantifier très précisément à quel point l’on peut faire confiance à une prévision de vent solaire », ajoute l’astrophysicienne.

La météo solaire, des impacts bien réels sur Terre

S’il est si important d’étudier les vents et nuages qui balaient le système solaire et leurs chances d’atteindre la Terre, c’est bien parce que leurs effets sur la planète sont concrets et visibles, notamment sur les infrastructures humaines et les personnes. « Il y a trois niveaux d’impact : dans l’espace, dans l’atmosphère et au sol », explique Barbara Perri. Dans l’espace, les nuages magnétiques représentent un danger pour les astronautes en cas de sortie extravéhiculaire mais également pour les satellites dont les panneaux solaires sont susceptibles d’être fortement endommagés. 

Au niveau de l’atmosphère, les éruptions solaires entraînent la formation de courants électriques capables de perturber les communications traversant l’atmosphère et d’aboutir à des blackouts radio ou des perturbations GPS. « Enfin, si les courants sont trop forts dans l’atmosphère, il peut y avoir une réponse induite au sol. Des courants électriques se forment au niveau des installations électriques, des pipelines ou des réseaux de grilles électriques. On appelle ça des courants induits au sol, ou GIC (Ground induced current) », ajoute la scientifique. En affectant le réseau électrique, ces courants provoquent des coupures de courant. C’est d’ailleurs ce qui s’est passé en 1989, quand le plus violent évènement de météo spatiale de l’ère moderne a endommagé une centrale électrique au Québec et provoqué une coupure d’eau et d’électricité durant trois jours.

Face à de tels impacts, les astrophysiciennes et astrophysiciens mettent à disposition les données qu’elles et ils collectent, ainsi que leurs modèles de simulation, pour suivre la météo solaire. C’est le rôle de la plateforme Multi experiment data and operation center (MEDOC), impliquant l’Université Paris-Saclay, le CNRS et le Centre national d’études spatiales (CNES). Ce centre de données et d’opérations centralise les observations collectées par les missions spatiales, comme SOHO - un satellite solaire lancé en 1995 - ou Solar Orbiter. En plus de ces données brutes, MEDOC met à disposition les cartes dérivées, les modèles, les résultats de simulation et comment les interpréter. En outre, l’Université Paris-Saclay est également impliquée dans le programme de météo de l’espace de l’ESA. Le but est de développer une plateforme regroupant des outils, pour l’instant pré-opérationnels, à disposition du public pour suivre les prévisions de météo solaire. À quand un journal météo des étoiles ? 

Références :

• Perri et al., Impact of far-side structures observed by Solar Orbiter on coronal and heliospheric wind simulations, Astronomy & Astrophysics, 2024.
• Perri et al., Impact of the Solar Activity on the Propagation of ICMEs: Simulation of Hydro, Magnetic and Median ICMEs at the Minimum and Maximum of Activity, The Astrophysical Journal, 2023.
• Brooks et al., Plasma Composition Measurements in an Active Region from Solar Orbiter/SPICE and Hinode/EIS, The Astrophysical Journal, 2022.
• Bernoux et al., Forecasting the Geomagnetic Activity Several Days in Advance Using Neural Networks Driven by Solar EUV Imaging, Journal of Geophysical Research:Space Physics, 2022.