Pourquoi notre Soleil émet-il d’étranges rayons gamma?
Produits dans tout l’Univers par des événements astrophysiques violents comme les explosions de supernovae et les quasars, les rayons cosmiques interagissent avec l’atmosphère solaire et produisent une cascade de protons, d’électrons, de neutrons, de muons et de rayonnements électromagnétiques. Cette avalanche de «messagers» secondaires et de rayonnements submerge l’atmosphère du Soleil de rayons gamma. Ce rayonnement de haute énergie est certainement complètement différent des rayons gamma générés par les processus de fusion dans le noyau du Soleil, qui n’atteignent jamais les couches extérieures avant d’être convertis en rayonnement de plus basse énergie. «Une décennie d’observations détaillées de notre Soleil effectuées à l’aide du Fermi Gamma-ray Space Telescope de la NASA a révélé que les champs magnétiques solaires devraient fortement affecter la façon dont les rayons cosmiques interagissent avec l’atmosphère solaire. Les mécanismes détaillés de la production des flux élevés de faisceaux de rayons gamma à haute énergie demeurent un mystère», observe Kenny Chun Yu Ng, coordinateur du projet SolarIC, qui a bénéficié d’un financement dans le cadre du programme Actions Marie Skłodowska-Curie.
Déchiffrer le rôle des champs magnétiques
«Comprendre les mécanismes de production des rayons gamma pourrait fournir une nouvelle façon d’étudier les champs magnétiques au niveau du Soleil», ajoute Kenny Chun Yu Ng. De puissantes éruptions proches de la surface du Soleil, connues sous le nom d’éjections de masse coronale, provoquées par des contractions du champ magnétique, expliquent en grande partie les phénomènes météorologiques spatiaux sur Terre, qui vont des superbes aurores boréales aux dégâts subis par les satellites. Les rayons gamma solaires peuvent incontestablement servir d’outil de surveillance de la météo spatiale. Dans le cadre du projet SolarIC, les chercheurs ont simulé la propagation des rayons cosmiques à proximité de l’atmosphère solaire, en tenant compte des champs magnétiques extérieurs à l’atmosphère. «Dans ce qui constitue une première pour l’astronomie solaire, nous avons établi que les champs magnétiques régnant au-dessus de la surface solaire étaient responsables de la production des rayons gamma de plus faible énergie (dont l’énergie est toutefois environ un milliard de fois supérieure à celle de la lumière visible). Curieusement, les champs magnétiques ont courbé les trajectoires des rayons cosmiques, créant ainsi des circonstances favorables à la production de rayons gamma observables», explique Kenny Chun Yu Ng. Bien que les résultats de la simulation apportent de solides indices sur certains des rayons gamma solaires observés, ils ne permettent pas encore de résoudre l’ensemble du mystère des rayons gamma solaires. «À la surprise des scientifiques, le télescope Fermi a enregistré des rayons gamma un trillion de fois plus énergétiques que la lumière visible pendant le minimum solaire, à savoir dans la partie la plus calme du cycle solaire», précise Kenny Chun Yu Ng. «D’après ce que nous avons appris de ces travaux, il convient de prendre en compte un nouveau type de champ magnétique solaire, beaucoup plus puissant que celui que nous avons utilisé. Nous étudions actuellement la manière de l’intégrer dans nos simulations.» Si SolarIC a démystifié la façon dont les champs magnétiques stimulent la production de rayons gamma, il a également mis en évidence la nécessité de faire appel à de nouvelles idées et études quantitatives afin d’expliquer le rayonnement intense apparu lors du dernier minimum solaire. «Malgré sa proximité et son extrême importance pour la vie sur Terre, le Soleil demeure un mystère brûlant. Les champs magnétiques solaires sont tout simplement d’une complexité extrême, ce qui rend très difficile la prévision de la propagation des rayons cosmiques dans l’atmosphère solaire, et donc la production de rayons gamma», souligne Kenny Chun Yu Ng. «Pour rendre les choses encore plus intéressantes, une manifestation de rayons gamma pourrait signaler l’annihilation de la matière noire, faisant du Soleil une source possible d’états exotiques de la matière.»
Mots‑clés
SolarIC, Soleil, champ magnétique, rayons gamma, rayons cosmiques, minimum solaire, matière exotique, matière noire