La mission Solar Orbiter, lancée le 10 février 2020 depuis Cap Canaveral a déjà parcouru plus de 2 milliards de kilomètres. Depuis son passage à seulement 470 km de la Terre en novembre 2021, la mission scientifique a officiellement commencé. Le 26 mars 2022, Solar Orbiter est passé à 0.32 unité astronomique de notre étoile (environ 1/3 de la distance Terre-Soleil) pour son quatrième périhélie (point de son orbite où SolarOrbiter se trouve au plus près du Soleil) à la vitesse de 198 000 km/h. À cette occasion, les 10 instruments à bord seront allumés conjointement et pointeront vers notre étoile. Comme le cycle 25 d’activité magnétique du Soleil est en pleine montée d’intensité, il est hautement probable que de nombreux événements éruptifs seront observés avec le télescope STIX (Spectrometer Telescope for Imaging X-rays) dont les détecteurs, les Caliste-SO, ont été conçus, réalisés et qualifiés au CEA.
A l'occasion de ce 4e périhélie, ce fait marquant livre une des premières images en X de STIX ainsi que les nouvelles simulations du modèle Solaire d'une équipe du DAp, qui ont donné lieu à des articles récents (voir en fin de page).
Observer les éruptions en X avec STIX
L’instrument STIX a été allumé le 14 avril 2020. La recette en vol de l’instrument a duré trois mois, avec un Soleil encore calme (le minimum du cycle 24 précédent ayant eu lieu en décembre 2019).
« Après des essais exhaustifs, nous avons déterminé les paramètres optimaux pour le fonctionnement en routine de l’instrument et procédé à son étalonnage en énergie. Depuis le 1er janvier 2021, STIX est en opération permanente et nous transmet des données quotidiennement. 100% des pixels des 32 détecteurs (384 pixels) Caliste-SO fonctionnent parfaitement, aux performances nominales. Ils enregistrent, un à un, les photons X entre 4 keV et 150 keV »
commente Olivier Limousin, membre de l’équipe internationale STIX (bas de page du lien).
Depuis 2 ans, près de 4000 éruptions ont été observées à mesure que l’activité solaire augmente. Les données sont accessibles et les logiciels sophistiqués de spectro-imagerie sont prêts pour que la communauté scientifique s’empare des données.
Chaque jour, l’équipe STIX du DAp (Irfu/CEA), conjointement avec l’équipe STIX core-team, surveille le bon fonctionnement des détecteurs, leur étalonnage et leur stabilité en vol. « Au-delà de l'aspect purement technique, nous contribuons par notre connaissance intime des détecteurs à l’optimisation des processus et des moyens d’analyse scientifique de l’instrument » continue Olivier Limousin.
La figure ci-contre représente l'une des premières images en rayons X réalisée avec l'imageur STIX. Il s’agit d'une intense éruption solaire de « classe X ». La localisation des deux composantes en énergie des X (contours rouges et bleues) sont morphologiquement cohérentes avec les images en UV fournies par l’instrument AIA (l'Atmospheric Imaging Assembly) du satellite SDO (Solar Dynamic Observatory).
Scénario « en X » d'une éruption Solaire
Une arche magnétique est remplie de gaz qui a été chauffé par l'énergie libérée pendant une éruption. Le spectre des rayons X observé permet de déterminer la température de ces boucles.
La composante, en bleu, sont des photons X durs qui viennent des électrons. Les électrons accélérés pendant le processus de libération d'énergie de l'éruption « frappent » la surface solaire et émettent des rayons X durs. Ils chauffent les couches inférieures de la couronne solaire. La composante en bleu est appelée rayonnement non-thermique. Le matériau chauffé remplit alors les boucles éruptives. En chauffant la surface solaire, les électrons cèdent leur énergie et chauffe le gaz qui est ensuite visible en rayons X de basse énergie.
La courbe rouge (rayonnement thermique) augmente pendant les périodes où la courbe bleue (rayonnement non thermique dû à l’accélération des électrons) atteint son maximum. Après l'arrêt de l'accélération, les boucles éruptives commencent à se refroidir et l'émission de rayons X diminue en conséquence.
Un modèle 3D du Soleil et de son environnement
Allan Sacha Brun et Antoine Strugarek sont membres du groupe MADAWG (Solar Orbiter Data Analysis Working Group) qui fournit des simulations numériques et des logiciels pour l'analyse des données.
Antoine Strugarek explique: « Parallèlement, nos équipes travaillent sur l’interprétation des observations solaires par le biais de simulations numériques haute performance mises dans un contexte observationnel. Pour cela, nous avons développé un outil de post-traitement couplant les sorties de simulation numérique à des bases de données spectrales telles que Chianti , permettant de produire des images en rayonnement UV, lumière blanche et bien sûr X mous de nos simulations (les X-durs sont lié à du non-thermique)« .
Ce travail de fond permet tout d’abord de régler les détails fins du chauffage coronal nécessaire à rendre l'environnement solaire si chaud (au delà du million de degrés K). « Ce chauffage est ici contrôlé par l’amplitude des ondes d’Alfvén excitées à la photosphère que nous devons prescrire dans le modèle » poursuit Antoine.
Les comparaisons entre observations et simulations ont montré que les éruptions solaires tirent leur énergie des structures magnétiques souvent torsadées qui ont émergé à la surface de notre étoile. Par ces modèles et leur visualisation dans des bandes spectrales observables, les scientifiques peuvent révéler les structures magnétiques et thermodynamiques sous-jacentes aux éruptions du Soleil.
L'équipe du LDE3 travaille à l’amélioration des modèles physiques locaux (pour le détail des éruptions solaires) et globaux (pour la structuration de l’héliosphère), qui mèneront ultimement à une comparaison directe entre les simulations et les spectro-images obtenues avec STIX.
Les scientiffiques ont mis en place un bulletin météo hebdomadaire de l’activité de notre étoile qui peut être partagé ici. Ces bulletins sont distribués sur une mailing-list à laquelle vous pouvez adhérer si vous le souhaitez en envoyant un email à Antoine Strugarek.
Contacts Irfu:
Olivier Limousin, Aline Meuris, Allan Sacha Brun, Antoine Strugarek
articles STIX:
- Astronomy & Astrophysics February 2022 “First hard X-ray imaging results by Solar Orbiter STIX”
- A&A 656, A4 (2021) STIX X-ray microflare observations during the Solar Orbiter commissioning phase
- A&A (2019) Count-based imaging model for the Spectrometer/Telescope for Imaging X-rays (STIX) in Solar Orbiter
articles modélisation:
- Parenti et al. 2022, The Astrophysical Journal, http://arxiv.org/abs/2203.10876