samedi 26 mars 2022

Les rayons gamma du Soleil observés ne collent pas au modèle théorique


Une équipe de chercheurs vient de suivre l'émission de rayons gamma du Soleil durant la totalité d'un cycle solaire, entre 2008 et 2020 avec le télescope Fermi-LAT. Il découvrent plusieurs écarts significatifs par rapport au modèle qui avait été développé pour expliquer ce rayonnement gamma à partir de l'interaction de rayons cosmiques. Ils publient leur étude détaillée dans Physical Review D.


Le Soleil est une source astrophysique particulière. Sa proximité permet des études détaillées qui sont essentielles à la compréhension des autres étoiles. Et la possibilité de résoudre spatialement l'émission solaire est particulièrement importante pour étudier les processus de haute énergie (non thermiques), qui peuvent être très localisés. Ces processus révèlent l'accélération de particules chargées et leurs interactions dans les champs magnétiques dynamiques complexes du Soleil. Les processus de plus haute énergie sont révélés par des rayons γ jusqu'à 200 GeV, qui correspondent à des particules primaires d'énergies environ 10 fois plus élevées.
Trois processus produisent des rayons γ solaires dans la gamme du GeV :  
- Les éruptions solaires, des éjections rapides et bien localisées de plasma depuis la surface solaire, qui peuvent accélérer les particules chargées, produisant des rayons γ jusqu'à quelques GeV. 
- Les rayons γ de plus haute énergie sont produits par le bombardement passif des rayons cosmiques galactiques. Les électrons (et les positrons) des rayons cosmiques subissent une diffusion Compton inverse (ICS) avec les photons solaires, produisant un halo de rayons γ autour du Soleil.
- Les protons (et les noyaux) des rayons cosmiques galactiques subissent des interactions hadroniques avec la matière dans (et sous) la photosphère solaire, produisant un disque brillant en gamma.

Pour le halo, les rayons cosmiques hadroniques ne sont pas pertinents en raison de leurs faibles sections efficaces de production de rayons γ ; pour le disque, les rayons cosmiques leptoniques ne sont pas pertinents en raison de leur faible flux. La résolution angulaire disponible avec Fermi-LAT a permis à Tim Linden (Université de Stockholm) et ses collaborateurs de résoudre les composantes du disque et du halo solaires et ils ont ainsi pu se focaliser exclusivement sur ce qui se passe au niveau du disque, donc des rayons gamma produits par les interactions des rayons cosmiques galactiques hadroniques (protons et noyaux d'atomes).
On sait que l'émission de rayons γ du Soleil est fortement affectée par ses champs magnétiques. Sans champs magnétiques, l'émission du disque solaire aurait deux composantes. Aux énergies supérieures à 1 GeV, la direction des rayons γ suit essentiellement celle de la particule primaire. Seuls les rayons cosmiques qui frôlent la surface solaire peuvent alors interagir et produire des rayons γ qui s'échappent et sont potentiellement détectables. Mais l'émission correspondante du limbe solaire est trop faible pour être observée par le télescope spatial Fermi. Près de 1 GeV, il existe également un phénomène de "backsplash" ("éclaboussure") sur l'ensemble du disque, car à faible énergie, la cinématique permet aux rayons γ d'être émis à un grand angle par rapport au rayon cosmique primaire.
Les astrophysiciens Seckel, Stanev, et Gaisser ont émis l'hypothèse en 1991 que les champs magnétiques de surface du Soleil permettent l'émission gamma du disque entier, même à des énergies élevées. Pour cela, les champs doivent dévier les rayons cosmiques avant qu'ils n'interagissent et ne produisent des rayons γ. Mais cela nécessite un accord un peu miraculeux entre le champ magnétique solaire et les profils de densité du gaz. Si les rayons cosmiques sont déviés trop haut dans l'atmosphère solaire, ils ne rencontreront pas assez de matière pour produire des rayons γ et s'ils sont déviés trop bas, alors ils produiront seulement des rayons γ qui sont dirigés vers le Soleil, et y sont ensuite absorbés. Pour produire efficacement un large spectre de rayons γ, Seckel, Stanev, et Gaisser supposent que les rayons cosmiques frappant la surface solaire sont canalisés dans des tubes de flux magnétiques qui conduisent les rayons cosmiques à la bonne profondeur. Le flux de rayons γ prédit par ce modèle dépasse largement celui prédit pour le limbe solaire. 

L'émission en régime permanent du disque et du halo solaires n'a pas été détectée avant 2008, lors d'une analyse des données du télescope spatial EGRET. Puis en 2011, une analyse avec le télescope Fermi-LAT a mesuré l'émission solaire de rayons γ entre 100 MeV et 10 GeV, séparant le disque et le halo. Ces mesures ont indiqué que le flux du disque solaire dépassait la prédiction de Seckel, Stanev, et Gaisser d'un facteur 5 ! 
Puis en 2016, de nouvelles données de  Fermi-LAT par le groupe qui publie aujourd'hui ce nouvel article avaient permis d'identifier de nouvelles caractéristiques, comme un spectre en énergie des rayons gamma qui s'étend jusqu'à environ 100 GeV et qui est significativement plus dur (plus énergétique en moyenne) que les prédictions de Seckel, Stanev, et Gaisser. Et cette étude montrait aussi des preuves surprenantes de la variabilité temporelle, en trouvant que le flux de rayons γ est fortement anticorrélé avec l'activité solaire. Linden et son équipe avait poursuivi l'étude du disque solaire dans les années suivantes et avaient montré en 2018, toujours grâce à Fermi-LAT, qu'au cours du minimum solaire, l'émission de photons gamma de plus de 10 GeV était produite de manière prédominante dans le plan équatorial du Soleil, tandis que l'émission à plus basse énergie était, elle, produite dans les régions polaires et restait constante au cours du cycle solaire.
Ils avaient également montré que le spectre en énergie lors du minimum solaire varie approximativement comme E-2.2 entre 100 MeV à plus de 100 GeV, à l'exception d'un profond creux qui apparaissait entre 30 et 50 GeV, qui était inexpliqué.
Linden et son équipe poursuivent aujourd'hui leurs recherches en effectuant un suivi continu du Soleil en rayons gamma sur la durée d'un cycle solaire complet. Puisqu'ils avaient pu observer le minimum marquant le début du cycle solaire 24, ils ont continué leurs observations jusqu'au minimum marquant le début du cycle 25, 11 ans plus tard, ce qui leur permet aujourd'hui d'obtenir une vue globale de l'activité du Soleil sur l'émission de rayons gamma et donc de pouvoir tester le modèle théorique de Seckel, Stanev, et Gaisser. Par ailleurs, il peuvent comparer les données des deux minimums de 2008 et 2019, qui devraient montrer des différences du fait de l'inversion de polarité du champ magnétique du Soleil. Les chercheurs mesurent le flux gamma du disque solaire, son spectre, sa variabilité temporelle et sa morphologie. 
Linden et ses collaborateurs observent ainsi une très nette anticorrélation entre l'émission gamma et l'activité solaire : l'émission gamma est minimale lors du maximum solaire et maximale lors des minimums. Elle varie environ d'un facteur 2 entre ces périodes. L'évolution dans le temps du flux de rayons γ du disque solaire apparaît symétrique autour du maximum solaire, sans aucune preuve d'une déviation basée sur la polarité du champ magnétique héliosphérique. Le flux et le spectre en dessous de 30 GeV sont compatibles entre les deux minimums, indiquant que la polarité inversée du Soleil n'affecte pas significativement le signal des rayons γ.
En se limitant aux rayons γ les mieux localisés et au-dessus de 10 GeV, les chercheurs constatent une préférence similaire pour une émission équatoriale, plutôt que polaire, pendant chaque minimum, ce qui indique que la polarité magnétique n'affecte pas non plus l'endroit où les rayons cosmiques interagissent de manière préférentielle avec la surface solaire. Cette tendance est cohérente avec des données précédentes, mais va bien à l'encontre des modélisations visant à comprendre l'émission solaire de rayons γ.
Les chercheurs montrent que la variation observée sur 11 ans n'a aucune dépendance avec l'énergie dans la partie basse du spectre. Dans les spectres (de 100 MeV à 10 GeV), aucune différence significative n'est observée autre que la variation globale. C'est un indice que la raison principale de la variabilité serait les champs magnétiques dans l'atmosphère solaire. Mais en revanche, au dessus de 100 GeV, Linden et al. trouvent moins de photons pendant le minimum solaire actuel par rapport au minimum solaire précédent (1 photon contre 8, pour des durées d'exposition similaires). Et le creux mystérieux qui avait été observé dans le spectre lors du minimum solaire de  2008 entre 30 et 50 GeV n'est pas retrouvé lors du minimum de 2019...


Globalement, par rapport aux prédictions du modèle théorique, l'émission de rayons γ qui est observée est "surprenante" selon Linden et son équipe : sa luminosité est plus élevée, son spectre est plus dur (et a présenté un mystérieux creux variable), son flux décroît aussi moins vite en fonction de l'énergie que ne le fait le flux des rayons cosmiques primaires, sa variation temporelle est plus forte que ce que prédit le modèle et la morphologie de l'émission de surface est aussi moins uniforme. Cela fait donc beaucoup d'écarts qui ne sont pas expliqués aujourd'hui.
Ces données gamma sur la totalité d'un cycle solaire avec une bonne résolution temporelle vont maintenant pouvoir être étudiées vis à vis d'autres phénomènes solaires variables comme les éruptions solaires, les éjections de masse coronale, l'apparition de trous coronaux... 
La compréhension des processus à l'origine des rayons gamma produits dans le Soleil est extrêmement importante car elle pourrait avoir des implications majeures sur la physique liée à des phénomènes exotiques, en premier lieu la matière noire, dont le Soleil est censé être un réservoir naturel.

Source

First observations of solar disk gamma rays over a full solar cycle
Tim Linden et al.
Physical Review D 105 (21 March 2022)

Illustrations

1. Le Soleil imagé par la sonde américaine SDO (NASA)
2. Emission gamma du Soleil enregistrée par Fermi-LAT dans deux gammes d'énergie différentes) (Linden et al.)
3. Le télescope spatial Fermi-LAT (NASA)

Aucun commentaire :