Le Soleil, qui nous prodigue lumière et chaleur, est aussi le siège de phénomènes démesurés. En 2017, une puissante éruption solaire a ainsi émis des rayons gamma dont l'origine a laissé les astronomes sans réponse. Ces émissions semblaient provenir d'une zone particulière de l'atmosphère solaire, mais leur source précise demeurait incomprise jusqu'à aujourd'hui.
Une équipe du Centre de recherche solaire-terrestre du NJIT a identifié l'origine de ces rayonnements. En se penchant sur les données d'un sursaut de classe X8.2, les scientifiques ont mis en évidence une population de particules inédite dans la couronne solaire. Ces particules atteignent des énergies de plusieurs millions d'électronvolts, largement supérieures à celles habituellement rencontrées lors des éruptions. Cette trouvaille lève donc le voile sur un mécanisme jusqu'alors inconnu de notre étoile.
Une éruption solaire de classe X8.2 illumine le bord du Soleil le 10 septembre 2017. Cette image a été capturée par l'Observatoire de la Dynamique Solaire de la NASA et montre un mélange de lumière des longueurs d'onde 171 et 304 angströms.
Crédit: NASA/GSFC/SDO Pour parvenir à ce résultat, les chercheurs ont croisé les observations de deux instruments. Le télescope spatial Fermi de la NASA a mesuré les rayons gamma de haute énergie, tandis que le réseau radio EOVSA au sol a fourni des images en micro-ondes. La superposition de ces données a permis d'isoler une région spécifique de l'atmosphère solaire, dénommée ROI 3. Cette méthode a établi un lien entre les signaux énergétiques et une activité locale bien précise.
Au sein de cette zone, les scientifiques ont détecté un nombre important de particules accélérées à des vitesses proches de celle de la lumière. À la différence des électrons classiques des éruptions, cette nouvelle population présente une forte concentration en particules à très haute énergie, avec peu d'électrons à basse énergie. Cette distribution particulière a rendu possible l'association directe de ces particules aux émissions gamma captées.
Le mécanisme responsable, appelé bremsstrahlung ou rayonnement de freinage, est pour sa part bien connu. Il se produit lorsque des particules chargées comme des électrons entrent en collision avec la matière, ici l'atmosphère solaire, et libèrent ainsi un rayonnement de haute énergie. C'est ce processus qui engendre les rayons gamma observés, élucidant un pan méconnu de la physique des éruptions solaires et mettant fin à un débat scientifique.
Cette avancée permet de mieux saisir comment les éruptions solaires parviennent à accélérer des particules à des niveaux d'énergie aussi extrêmes. Elle facilite également le développement de modèles plus performants pour prévoir la météorologie spatiale, laquelle affecte les systèmes technologiques terrestres. Certains points restent à préciser, notamment la nature exacte de ces particules, qui pourraient être des électrons ou des positrons. Des instruments améliorés tels qu'EOVSA-15 permettront d'aller plus loin.
D'après Gregory Fleishman, auteur principal de l'étude parue dans
Nature Astronomy, la mesure de la polarisation des émissions micro-ondes devrait permettre de différencier les types de particules.
Le rayonnement de freinage (bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est un phénomène physique où des particules chargées, comme des électrons, perdent de l'énergie sous forme de lumière lorsqu'elles sont ralenties par un champ électrique, comme celui d'un atome. Ce processus est courant dans l'Univers, il explique pourquoi nous observons des rayons X ou gamma dans de nombreux événements cosmiques.
Dans le cas du Soleil, lors d'une éruption, des électrons sont accélérés à des vitesses très élevées. En traversant l'atmosphère solaire dense, ils entrent en collision avec d'autres particules, ce qui les freine brusquement. Cette décélération provoque l'émission de photons de haute énergie, c'est-à-dire des rayons gamma. C'est ainsi que le bremsstrahlung devient une source importante de radiation dans les éruptions solaires.
Comprendre ce mécanisme aide les scientifiques à interpréter les signaux observés par les télescopes. En reliant l'énergie des particules aux spectres de rayonnement, ils peuvent déduire les conditions physiques dans l'atmosphère solaire. Cela permet d'améliorer les modèles théoriques et de mieux prévoir le comportement du Soleil lors d'événements extrêmes.
Le bremsstrahlung n'est pas limité au Soleil ; il se produit aussi dans d'autres environnements, comme autour des trous noirs ou dans les accélérateurs de particules sur Terre. Étudier ce phénomène offre donc des clés pour explorer divers processus énergétiques dans l'Univers, en simplifiant des notions ardus pour les rendre accessibles.