Solar Orbiter : de plus en plus près du Soleil !

Décryptage

Lancée il y a un peu plus d’un an (le 10 février 2020), la sonde Solar Orbiter a pour objectif d’améliorer notre connaissance du Soleil. Pour ce faire, elle doit s’approcher le plus possible du Soleil, tout en restant fonctionnelle !

Actuellement, Solar Orbiter est en phase de croisière. Certains instruments embarqués ne sont pas encore opérationnels à temps plein. Malgré cela, nous avons d’ores et déjà quelques jolis résultats pour ensoleiller les journées de nos scientifiques !

Aujourd’hui, nous faisons le point sur trois instruments dits de télédétection dont l’Institut d’Astrophysique Spatiale a participé au développement : SPICE (spectromètre UV), EUI (ensemble de télescopes) et PHI (Filtregraphe-polarimètre). Nous ferons le point le mois prochain sur deux autres instruments dits in situ RPW et SWA développés par quatre autres laboratoires français. 

Solar Orbiter

Comment le champ magnétique émerge-t-il de l’intérieur du Soleil et quel est son impact sur l’atmosphère solaire ? Quels sont les mécanismes impliqués dans la formation de la couronne et du vent solaire ? Quels sont les processus physiques expliquant l’activité éruptive du soleil ?

« Le premier objectif de Solar Orbiter est de mieux comprendre la connexion entre l’activité du Soleil (à court terme par ex. les éruptions et à long terme par ex. les cycles solaires) et le milieu interplanétaire » explique Miho Janvier de l’IAS.

« La mission est aussi destinée à observer et caractériser les régions polaires et la couronne du Soleil depuis les hautes latitudes. Ces deux objectifs sont des premières : aucune autre mission solaire n’ayant pu le faire auparavant » complète  Thierry Appourchaux de l’IAS.

Des nouvelles du satellite

Solar Orbiter terminera la phase de croisière pour entrer en décembre 2021 dans la phase nominale, celle dédiée à la science. La sonde sera alors à un quart de la distance entre le Soleil et la Terre !

Pendant la phase de croisière, les instruments EUI, PHI et SPICE sont allumés régulièrement pour tester leur comportement dans différentes conditions d’observation (passage du chaud au froid tous les trois mois, …).

Le rôle des instruments dont l’IAS est responsable

  • « SPICE est un spectromètre UV qui permet d’étudier les caractéristiques de la lumière émise par les différentes structures de la couronne solaire (température, densité, …) » explique Eric Buchlin de l’IAS.
    « Il a été conçu entre autres pour mesurer la composition chimique du plasma solaire près de la surface du Soleil, afin de pouvoir comparer cette composition avec ce qui est mesuré in situ par des instruments comme SWA » ajoute Frédéric Auchère de l’IAS.
  • EUI est un ensemble de télescopes qui observent le Soleil dans l’UV : le « canal à grand champ » permet de surveiller en permanence l’activité du Soleil et de voir le contexte de ce que les autres instruments vont observer plus en détails. Les « deux canaux à haute résolution » permettent de comprendre les processus physiques fondamentaux qui sont à l’origine de l’accélération du vent solaire.
  • Le Filtregraphe (FG) de PHI, permet, à partir d’une raie spectrale, de mesurer des décalages Doppler à partir desquels seront obtenues des vitesses de structures solaires supérieures à 30 m/s. Grâce à un polarimètre, le FG mesurera également le champ magnétique solaire.

Paré pour les environnements extrêmes !

La sonde est confrontée à trois difficultés majeures :

  • La chaleur : se rapprochant du Soleil, elle a besoin d’être protégée par un bouclier thermique. « On doit se cacher derrière le bouclier mais aussi observer le Soleil à travers ce dernier ! Pour y arriver, il a fallu faire des petits trous » raconte Eric Buchlin. « Le problème des instruments optiques est qu’il faut regarder le Soleil en face. La face avant des instruments d’observation peut monter jusqu’à 400°C alors que l’environnement à l’arrière du bouclier fait -150°C » ajoute Frédéric Auchère.
  • La télémétrie : étant loin de la Terre, il faut pouvoir la télécommander d’une part, et recevoir des données (images et spectres) d’autre part. Il n’est pas possible de prendre autant d’images du Soleil que les missions solaires proches de la Terre qui, quant à elles, peuvent transmettre des données avec moins de contraintes. Miho Janvier nous explique comment résoudre ce dilemme : « On prévoit une planification « raffinée » des observations et des zones du Soleil que l’on veut regarder ». Mais on sélectionne aussi les résultats qui vont être envoyés ! « La plupart des instruments ont à bord des technologies de pré-traitement des données : PHI fait des calculs à bord et ne transmet à la Terre que les résultats de ces calculs (voir figure 1). EUI possède des algorithmes de détection automatique d’événements qui permettent de sélectionner des observations intéressantes » ajoute Frédéric Auchère.
Vitesses radiales mesurées par PHI grâce au FG de l’IAS. L’axe de rotation du Soleil est incliné de 45 degrés sur le détecteur. On voit la rotation du Soleil ainsi que la supergranulation. Les échelles de vitesse sont en km/s (à droite)
Vitesses radiales mesurées par PHI grâce au FG de l’IAS. L’axe de rotation du Soleil est incliné de 45 degrés sur le détecteur. On voit la rotation du Soleil ainsi que la supergranulation. Les échelles de vitesse sont en km/s (à droite)© T.Appourchaux / PHI Team, 2020
  • L’orbite de Solar Orbiter est assez particulière : on souhaite en effet se rapprocher du Soleil et sortir du plan de l’écliptique. Pour ce faire, on utilise l’attraction (gravitationnelle) de la Terre et de Vénus pour modifier la trajectoire de Solar Orbiter. C’est Yves Langevin, ancien directeur de l’IAS qui a calculé ces trajectoires. Le changement de trajectoire de Solar Orbiter va permettre de se rapprocher et de mieux observer les pôles du Soleil. « C’est la première fois que l’on va imager les pôles du Soleil. En particulier, on pourra mieux analyser le champ magnétique dans ces régions » se réjouit Miho Janvier.

Des observations nouvelles ?

Pour l'instant, nous ne disposons que des données de mise en service, prises lorsque les équipes apprenaient encore le comportement de leurs instruments dans l'espace.

Néanmoins « des observations faites en juillet 2020 par l’instrument EUI ont permis de voir d’autres structures brillantes jamais observées auparavant sur la surface du Soleil, que nous avons baptisées feux de camp » s’émerveille Miho Janvier.

Depuis de très nombreuses années, les astrophysiciens se posent une question : comment expliquer que la température soit à la surface du Soleil 5500°C alors que celle de la couronne solaire est de plusieurs millions de degrés et quel est le processus de ce chauffage ? 

« Un des modèles actuels se base sur la présence de nano-éruptions sur le Soleil. Ces nano-éruptions étant minuscules et libérant chacune très peu d’énergie, si on suppose qu’il y en a partout sur le Soleil, ça suffirait pour chauffer la couronne. Est-ce que les feux de camp observés en juillet 2020 pourraient être une autre solution au chauffage de la couronne ? » s’interroge Frédéric Auchère.

Image à haute résolution de la couronne du Soleil obtenue par EUI/Solar Orbiter le 30 mai 2020 à la longueur d’onde de 17.4 nm. Structures très fines de l’atmosphère solaire jamais observées auparavant
Image à haute résolution de la couronne du Soleil obtenue par EUI/Solar Orbiter le 30 mai 2020 à la longueur d’onde de 17.4 nm. Structures très fines de l’atmosphère solaire jamais observées auparavant© Solar Orbiter/EUI Team/ ESA & NASA; CSL, IAS, MPS, PMOD/WRC, ROB, UCL/MSSL, LCF

Propos recueillis par Martine Chane-Yook

Contact

Eric Buchlin
Responsable scientifique des opérations de l'instrument SPICE.
Miho Janvier
Responsable scientifique adjointe de l'instrument SPICE
Frédéric Auchère
co-responsable scientifique de l'instrument EUI et responsable scientifique principal des opérations de l'instrument SPICE
Thierry Appourchaux
Responsable scientifique du Filtregraphe (FG) de l'instrument PHI