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Un ticket pour le Soleil

Un ticket pour le Soleil

27.06.2018, par
Mis à jour le 13.08.2018
Vue d’artiste de la sonde Parker Solar Probe approchant du Soleil.
Le 12 août, la Nasa a lancé depuis la Floride le satellite Parker Solar Probe. Objectif de cette mission qui implique plusieurs laboratoires du CNRS : s’avancer au plus près du Soleil, jusqu’à plonger dans la fournaise de la couronne solaire, avec l'ambition de résoudre peut-être deux grands mystères de l’astrophysique.

Le moment est historique. Nous allons enfin savoir à quoi ressemble de près l’étoile de notre système planétaire sans laquelle la vie terrestre n’existerait pas. Pour la première fois, une sonde va rendre visite au Soleil. Le 12 août, la Nasa a lancé en effet depuis la Floride le satellite Parker Solar Probe. L’objectif de cette mission audacieuse ? Plonger dans la couronne solaire, cette sorte « d’atmosphère » qui s’étend jusqu’à plusieurs millions de kilomètres de la surface et qui forme le fameux halo blanc visible sur les clichés d’éclipse. Un peu comme la version scientifique du film Sunshine, dans lequel des astronautes bravaient la fournaise du Soleil pour réactiver ses réactions thermonucléaires mourantes.

Un bouclier contre la chaleur

La sonde avancera à pas prudents vers l’étoile. Après l’avoir frôlée une première fois à l’automne, elle effectuera autour d’elle une série de révolutions de forme elliptique, la plus proche l’amenant à 6 millions de kilomètres de la surface (seulement 8,8 rayons solairesFermerIl s’agit du rayon du Soleil, une unité de longueur souvent utilisée pour exprimer la taille des étoiles.). Là, elle sera aux premières loges pour résoudre deux grands mystères de l’astrophysique. Les quatre instruments qu’elle emporte, auxquels ont contribué plusieurs laboratoires français liés au CNRS1, fourniront en effet des informations inédites, d’une part sur le plasma solaire, cette mélasse de particules et de champs électromagnétiques qui compose la couronne, d’autre part sur l’origine du vent solaire. Cette mission va ainsi écrire une nouvelle page de la conquête spatiale, digne du survol des planètes géantes par les sondes Voyager dans les années 1970 ou de la mission de la sonde Rosetta sur la comète Tchouri, il y a deux ans.
 

Des membres de l'équipe Parker Solar Probe ont utilisé des lasers pour tester les panneaux solaires de la sonde spatiale.
Des membres de l'équipe Parker Solar Probe ont utilisé des lasers pour tester les panneaux solaires de la sonde spatiale.

La surface du Soleil atteint 6 000 °C et pourtant, quand on s’éloigne de la surface, elle monte à plusieurs millions de degrés. Comme si vous vous éloigniez d’un feu de cheminée et que l’air se réchauffait !

Aller « toucher » le soleil ? Enfin, aurait-on envie de dire. L’envoi d’un satellite éclaireur vers le cœur du système solaire apparut comme une nécessité dès l’aube de l’âge spatial. La mission a d’ailleurs fait partie des projets du comité américain Simpson chargé de définir, à la fin des années 1950, les ambitions spatiales des États-Unis. Elle est restée une priorité des agences spatiales pendant quarante ans, mais sa concrétisation butera sur un obstacle : le regard brûlant du Soleil. Même à une distance de plusieurs fois le rayon solaire, le rayonnement émis par l’astre est encore 600 fois supérieur à celui reçu par un vacancier sur une plage ! Et suffit à faire fondre n’importe quel matériau ordinaire.

Le système de protection thermique de Parker Solar Probe est abaissé dans la chambre à vide thermique en prévision des essais environnementaux (Nasa, février 2017).
Le système de protection thermique de Parker Solar Probe est abaissé dans la chambre à vide thermique en prévision des essais environnementaux (Nasa, février 2017).

Pour éviter de se griller les ailes, la sonde brandira devant elle un bouclier thermique ultrarésistant. « La mission a été rendue possible grâce au développement de matériaux composites proches de ceux qui équipent le nez des navettes spatiales, à base de composite carbone et de céramiques », explique Milan Maksimovic, du Laboratoire d’études spatiales et d’instrumentation en astrophysique (Lesia)2 de Meudon et l’un des coordinateurs de la mission. De la taille d’une petite voiture, Solar Probe possède une silhouette de danseuse avec son bras télescopique et sa partie évasée ressemblant à une jupe. Le bouclier, épais de 11 cm, est placé sous cette dernière et protégera le satellite à chacun de ses 25 passages près du Soleil, qui l’amèneront en 2024 à son point le plus proche. Pendant toute cette durée, la sonde tirera son énergie de panneaux solaires qui se rangeront derrière le bouclier les semaines de plus forte intensité lumineuse.

L’énigme de la couronne

À quelques semaines du compte à rebours, Milan Maksimovic se réjouit de voir enfin ce projet au long cours se réaliser : « Jusqu’à présent, nos connaissances sur le Soleil venaient exclusivement d’études menées à distance, notamment grâce au satellite SoHO3. Avec Parker Solar Probe, nous allons pouvoir disposer de mesures in situ, c’est une première ». Des données qui devraient permettre d’élucider une bizarrerie qui ne cesse de déconcerter les physiciens depuis sa découverte, dans les années 1940.

« La sonde va nous aider à répondre à l’un des grands secrets du Soleil : l’origine du chauffage de la couronne, commente Thierry Dudok de Wit, du Laboratoire de physique et chimie de l’environnement et de l’espace (LPC2E)4, à Orléans. La surface du Soleil atteint 6 000 °C  et pourtant, quand on s’éloigne de la surface, elle monte à plusieurs millions de degrés. Comme si vous vous éloigniez d’un feu de cheminée et que l’air se réchauffait ! » Le nom de la mission rend d’ailleurs hommage à un physicien théoricien américain, Eugene Parker, l’un des premiers à s’être penché sur cette étrangeté.

Couronne solaire pendant l'éclipse totale de Soleil du 11 juillet 2010, observée depuis l'atoll de Hao, dans l'archipel des Tuamotu, en Polynésie française. Cette image composite a été obtenue par l'addition de plusieurs clichés numériques à haute résolution et en lumière blanche, des différentes parties de la couronne solaire. Elle permet de visualiser les structures de la couronne de plasma et de comprendre quelle est la source du vent solaire.
Couronne solaire pendant l'éclipse totale de Soleil du 11 juillet 2010, observée depuis l'atoll de Hao, dans l'archipel des Tuamotu, en Polynésie française. Cette image composite a été obtenue par l'addition de plusieurs clichés numériques à haute résolution et en lumière blanche, des différentes parties de la couronne solaire. Elle permet de visualiser les structures de la couronne de plasma et de comprendre quelle est la source du vent solaire.

Le LPC2E a fabriqué l’un des capteurs de champ magnétique qui testeront les théories actuelles de la surchauffe de la couronne. Selon une hypothèse, les températures extrêmes résulteraient de l’influence d’ondes électromagnétiques, à la manière d’une plaque à induction chauffant une casserole. Mais elles pourraient être aussi bien causées par une multitude de petites éruptions solaires invisibles de la Terre. La matière expulsée chaufferait alors l’atmosphère à la suite de phénomènes complexes de reconfigurations rapides des lignes de champ magnétique, un peu comme si celles-ci fouettaient le milieu et l’excitaient. La signature de l’un ou l’autre mécanisme incriminé devrait être visible sur les signaux mesurés. Le détecteur du LPC2E est placé au bout du bras télescopique, loin des perturbations électromagnétiques dues au satellite lui-même.

Capteur magnétique SCM (Search-Coil Magnetometer). Conçu et réalisé par le laboratoire LPC2E avec le soutien du Cnes, il mesurera les fluctuations du champ magnétique.
Capteur magnétique SCM (Search-Coil Magnetometer). Conçu et réalisé par le laboratoire LPC2E avec le soutien du Cnes, il mesurera les fluctuations du champ magnétique.

Comme le bouclier, les instruments de la sonde ont également dû faire la preuve de leur résistance à la chaleur. S’ils n’encaisseront pas tous directement la lumière du Soleil, ils seront quoi qu’il arrive soumis à des variations extrêmes de température au cours des orbites. Une partie des tests thermiques a été menée au four solaire géant – de la taille de l’Arc de triomphe – installé dans les Pyrénées à Odeillo et placé sous la responsabilité du laboratoire Procédés, matériaux et énergie solaire (Promes) du CNRS5.

« Grâce au four solaire et à nos équipements de tests, nous sommes les seuls au monde à pouvoir éprouver l’équipement de Solar Probe jusque dans ses derniers retranchements et dans des conditions proches de celles rencontrées près du Soleil, note non sans fierté Marianne Balat-Pichelin, directrice adjointe du laboratoire. La focalisation de la lumière solaire à l’intérieur d’une chambre à vide permet de chauffer à plus de 2000 °C un objet de grande taille, exactement comme s’il se trouvait dans l’espace ! » Ces tests ont notamment conduit à un choix drastique sur le type de tungstène utilisé dans la fabrication du capteur de particules qui équipe la sonde. Un capteur qui fournira des indices supplémentaires pour expliquer le chauffage, mais aussi les effets néfastes du Soleil…
 

Parabole du four solaire géant d’Odeillo (Pyrénées orientales). Une partie des tests thermiques de la mission ont été effectués sur ce site, sous la direction du laboratoire Promes du CNRS.
Parabole du four solaire géant d’Odeillo (Pyrénées orientales). Une partie des tests thermiques de la mission ont été effectués sur ce site, sous la direction du laboratoire Promes du CNRS.

Le mystère du vent solaire

13 mars 1989, Québec. Un orage magnétique provoque l’arrêt des centrales électriques. Pendant neuf heures, la région tout entière est plongée dans le noir. L’origine du phénomène : une bourrasque du vent solaire venue percuter la Terre. Le vent solaire est un plasma (composé à 95 % de protons, quelques pour cent de noyaux d’hélium et un résidu d’ions lourds, carbone et fer) craché par l’étoile au niveau de la couronne et qui voyage dans l’espace à une vitesse entre 200 et 800 kilomètres par seconde. En 1859, l’un de ses soubresauts avait déjà suffisamment perturbé le champ magnétique terrestre pour provoquer des aurores polaires visibles jusque dans les Caraïbes. Aux États-Unis, le ciel s’était assez illuminé pour qu’on puisse lire le journal en pleine nuit à Boston ! L’origine du vent solaire et de ses irrégularités est l’autre grand mystère sur lequel va enquêter Solar Probe.
 

Étudier le vent solaire présente également un intérêt en planétologie. Les planètes, les comètes et les astéroïdes sont tous soumis à son influence.

Car les physiciens ignorent pourquoi le Soleil exhale le vent solaire et est subitement pris de violentes quintes de toux. Si depuis l’événement de 1989, les fournisseurs d’électricité ont appris à se prémunir contre les accidents du même type, les orages magnétiques continuent de faire planer un risque sur nos sociétés : ils altèrent les données GPS, pourraient fausser l’orbite des satellites… En moyenne, un orage survient chaque année. Une perturbation magnétique particulièrement violente pourrait aller jusqu’à entraîner une coupure d’internet ou une collision entre avions de ligne en raison d’une erreur sur leurs signaux GPS.

Si Parker Solar Probe est avant tout un outil de recherche fondamentale, les données récoltées par la sonde devraient contribuer à mieux évaluer ces menaces. Mais « étudier le vent solaire présente également un intérêt en planétologie, rappelle Milan Maksimovic. Les planètes, les comètes et les astéroïdes sont tous soumis à son influence. C’est lui qui, par exemple, en érodant la surface de la Lune, a réduit en poussières son sol au départ solide. C’est lui encore qui, en pelant l’atmosphère de Mars, a fait s’évaporer les océans de la planète et fait disparaître la vie qu’elle abritait peut-être ».

Comment la couronne engendre-t-elle le vent solaire ? Des pistes théoriques suggèrent que la clé du phénomène résiderait en partie dans les lignes de champ magnétique qui forment une chevelure rougeoyante à la surface du Soleil. Lorsque ces lignes, véritables autoroutes à particules, repiquent vers la surface, elles dessinent les fameuses boucles coronales, ces néons géants en demi-cercle qui étincellent sur les photographies. Les boucles coronales pourraient souffler les alizés solaires, autrement dit les vents qui soufflent en permanence vers notre planète.

Éruption solaire capturée par la Nasa le 25 juin 2015. Les boucles, visibles au-dessus de la surface de l'étoile à droite, sont des émissions lumineuses de particules chargées qui filent le long de lignes de champ magnétique.
Éruption solaire capturée par la Nasa le 25 juin 2015. Les boucles, visibles au-dessus de la surface de l'étoile à droite, sont des émissions lumineuses de particules chargées qui filent le long de lignes de champ magnétique.

« Nous savons que les boucles ont la même composition que le vent solaire le plus lent, explique Alexis Rouillard, un spécialiste de la dynamique de la couronne qui travaille à l’Institut de recherche en astrophysique et planétologie (Irap)6 de Toulouse. Peut-être existe-t-il un mécanisme qui permet aux boucles de s’ouvrir et de relâcher de la matière vers l’espace ? » Le chercheur a contribué à la conception de la caméra grand angle embarquée sur le satellite et dont les images, en faisant le lien entre l’allure à grande échelle des lignes de champ magnétique et la composition locale du plasma, devraient aider à y voir plus clair sur les processus en jeu.

Des bangs supersoniques

Et quid des bourrasques, à l’origine des orages magnétiques ? Même si rien n’est sûr, elles seraient la version solaire des bangs supersoniques des avions. L’hypothèse dominante veut que la couronne soit en effet régulièrement traversée par des ondes de choc se propageant à haute vitesse sur laquelle « surferaient » les particules du vent. Le mécanisme accélérerait les particules par paquet. « Si nous découvrons que les faisceaux de particules du plasma fluctuent à l’unisson avec ces ondes de choc, dont l’existence n’est plus débattue, ce sera un bon indice que ces ondes jouent un rôle clé dans le processus d’accélération des particules aux hautes énergies », assure Alexis Rouillard.

Parker Solar Probe complétera ces analyses en fournissant des images complètement nouvelles et tridimensionnelles des nuages d’électrons qui accompagnent les brises de vent solaire. « Ces particules extrêmement réactives aux fluctuations du champ électromagnétique interplanétaire jouent un rôle essentiel dans la création du vent solaire, même si nous ignorons lequel précisément », ajoute Matthieu Berthomier, dont l’équipe a conçu le circuit intégré de détection des électrons, au Laboratoire de physique des plasmas7, à Paris. Pesant seulement un gramme et extrêmement économe en énergie, le circuit a coûté, en développement, près d’un million d’euros. « Nous sommes les seuls à fabriquer ce type de circuit qui sera aussi utilisé dans la mission européenne Solar Orbiter qui partira, elle, vers le Soleil en 2020 ». Solar Orbiter partage certains objectifs avec sa consœur américaine, mais en se positionnant plus loin du Soleil, à 70 rayons solaires, elle se concentrera davantage sur la façon dont les perturbations solaires affectent la Terre.

Mais pour l’heure, Matthieu Berthomier a le regard tourné vers Cap Canaveral d’où partira la sonde le 11 août. Preuve que Parker est une mission hors norme, des modifications de dernière minute viennent d’être effectuées sur la sonde, une pratique rare dans l’industrie spatiale si près d’un lancement (ont été changés les thermomètres internes qui servent à prévenir toute poussée de fièvre de la sonde elle-même). « C’est aussi ce qui est excitant avec cette mission : on sort de notre zone de confort, comme lors de la mission Rosetta, s’enthousiasme Thierry Dudok de Wit. On prend des risques, mais je suis persuadé qu’aller à la rencontre de l’inconnu paiera. » Pendant des millénaires, le Soleil a été vénéré par les civilisations. La mission Parker Solar Probe va nous permettre de l'atteindre au plus près. Une chose est sûre : elle n’en reviendra pas bredouille. ♦

 
Lire aussi notre article « Météo solaire, tempêtes et black-out »

Notes
  • 1. Les cinq laboratoires impliqués dans la mission Parker Solar Probe, avec le soutien financier du Cnes, sont l’Institut de recherche en astrophysique et planétologie (Irap), le Laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation en astrophysique (Lesia), le Laboratoire de physique et chimie de l’environnement et de l’espace (LPC2E), le Laboratoire de physique des plasmas (LPP) et le laboratoire Procédés, matériaux et énergie solaire (Promes-CNRS)
  • 2. Unité CNRS/Observatoire de Paris/Université Paris-Diderot/Sorbonne Université/Université Versailles-Saint-Quentin/Cnes.
  • 3. Lancé en 1995 par le Cnes et la Nasa et toujours en activité, Soho – pour Solar and Heliospheric Observatory – a révolutionné nos connaissances sur le Soleil. Il décrit une orbite en halo autour d’un point situé à 1,5 million de kilomètres en avant de la Terre dans la direction de l’astre.
  • 4. Unité CNRS/Cnes/Université d’Orléans.
  • 5. Unité propre du CNRS, conventionnée avec l’université de Perpignan via Domitia.
  • 6. Unité CNRS/Université Toulouse Paul-Sabatier.
  • 7. Unité CNRS/École polytechnique/Observatoire de Paris/Université Paris-Sud/Sorbonne Université.

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