Les scientifiques détectent le plus haut

La lumière la plus énergétique jamais vue émanant du Soleil vient d’être détectée, créant un nouveau casse-tête que les physiciens solaires doivent résoudre.

Une campagne d'observation de 6 ans menée par plus de 30 institutions en Amérique du Nord, en Europe et en Asie a abouti à la toute première détection d'un rayonnement gamma solaire dans la gamme des téraélectronvolts (TeV).

Mais contrairement à ce à quoi on pourrait s’attendre, cela n’est pas corrélé à une activité solaire accrue ; ou, en fait, toute activité solaire. Au contraire, le Soleil était plutôt calme au moment de la détection, et nos modèles actuels du Soleil ne peuvent pas vraiment en rendre compte.

Le Soleil est l’étoile la plus étudiée du cosmos. Nous avons des observations qui couvrent tout le spectre, depuis les ondes radio basse fréquence jusqu’à la lumière la plus énergétique de l’Univers, le rayonnement gamma. Pour autant, il y a beaucoup de choses que nous ignorons sur notre star locale. Les détails sur ses processus nous échappent encore.

Nous savons que les champs magnétiques sont importants et jouent un rôle crucial dans presque toutes les activités solaires que nous observons, mais leurs mécanismes sont mal compris. Nous étudions la lumière émise par le Soleil pour tenter de mieux comprendre.

L'observatoire Cherenkov des eaux à haute altitude (HAWC), au Mexique, est l'un des outils que nous utilisons pour étudier le rayonnement gamma et cosmique de l'espace qui entre en collision avec l'atmosphère terrestre.

L'atmosphère empêche ce rayonnement de nous atteindre, mais cela peut produire des particules de haute énergie qui peuvent être détectées dans l'obscurité, ainsi que l'énergie et la direction de leurs rayons gamma parents calculées à partir de cette détection.

"HAWC fait partie des rares détecteurs capables d'observer le Soleil dans la gamme TeV", écrit la collaboration internationale HAWC qui a mené la recherche. "Son large champ de vision et sa durée de vie élevée permettent une exposition continue pendant que le Soleil traverse le ciel."

Dans les données collectées à l’aide de HAWC entre 2014 et 2021, les chercheurs ont détecté des émissions comprises entre 0,5 et 2,6 TeV (un TeV équivaut à un billion d’électronvolts) provenant de la direction du Soleil. Leur nouveau pipeline d'analyse a déterminé que cette émission provenait du Soleil, avec une probabilité de 6,3 sigma.

Ce n’est pas la lumière la plus énergétique jamais vue dans l’espace. Ce record appartient à une observation de rayons gamma de 450 TeV provenant de la nébuleuse du Crabe il y a plusieurs années. Mais c'est un nouveau succès pour notre propre star.

"Après avoir examiné six années de données, cet excès de rayons gamma a disparu", explique Mehr Un Nisa, physicien des astroparticules à la Michigan State University.

"Quand nous l'avons vu pour la première fois, nous nous sommes dit : 'Nous avons définitivement tout gâché. Le soleil ne peut pas être aussi brillant à ces énergies.'"

Nous savons que parfois, le Soleil se montre bruyant. Il se déchaîne avec des éruptions solaires et des éjections de masse coronale. Mais le Soleil n’émet pas seulement de la lumière. Il en est également touché. Les rayons cosmiques de la galaxie au sens large traversent constamment l’espace. Ici sur Terre, ces rayons cosmiques interagissent avec l’atmosphère pour produire une lueur gamma.

On pense qu’un processus similaire se produit sur le Soleil. Les rayons cosmiques galactiques entrent en collision avec les noyaux de l'atmosphère solaire, dans la gamme des gigaélectronvolts (1 milliard d'électronvolts).

L’équipe pense que l’émission de TeV est probablement le résultat de cette interaction. Ils ont également examiné les données GeV collectées par HAWC et le télescope spatial à rayons gamma Fermi LAT de la NASA et ont constaté que l'émission GeV était plus brillante et plus abondante que prévu pendant les périodes calmes du Soleil.

Ce que nous ne savons pas, c'est comment l'émission devient si brillante. Cela ne correspond pas aux modèles théoriques. Étant donné à quel point le Soleil est mauvais avec ses champs magnétiques désordonnés, il est probable qu'ils jouent un rôle. En effet, un article publié plus tôt cette année proposait que les champs magnétiques solaires agissent comme des accélérateurs pour les électrons des rayons cosmiques afin de produire un rayonnement gamma synchrotron.

Il faudra cependant effectuer davantage de modélisation pour déterminer exactement comment cela sera réalisé.

"Les modèles d'interactions des rayons cosmiques dans le Soleil… sous-prédisent déjà le flux de rayons gamma observé du Soleil dans la gamme GeV", écrit la collaboration HAWC. "Nos observations soulignent la nécessité d'un cadre révisé pouvant expliquer l'excès anormal de rayons gamma du Soleil également dans la gamme TeV."