Une «horloge solaire» nouvellement décrite peut prédire avec précision les événements du cycle solaire des années à l’avance

Depuis que les humains ont pu observer les taches solaires pour la première fois il y a environ 400 ans, nous les utilisons pour essayer de définir le cycle solaire. Environ tous les 11 ans, l’activité solaire telle que les taches solaires et les éruptions solaires va et vient, provoquant des changements dans les conditions météorologiques sur Terre et menaçant parfois les télécommunications. Prédire ces changements de manière fiable pourrait aider tout le monde, des agriculteurs aux militaires.

Traditionnellement, les scientifiques ont utilisé le concept de «minimum solaire», lorsque l’activité solaire est réduite, pour marquer le début de chaque cycle. Mais le cadre du « minimum solaire » est quelque peu arbitraire et imprécis, explique Robert Leamon, chercheur au Partnership for Heliophysics and Space Environment Research (PHASER), un partenariat de l’UMBC avec la NASA.

Leamon a mené de nouvelles recherches montrant qu’une « horloge solaire » basée sur le champ magnétique du soleil, plutôt que sur la présence ou l’absence de taches solaires, peut décrire et prédire avec précision de nombreux changements clés tout au long du cycle solaire. Le nouveau cadre offre une amélioration significative par rapport à la méthode traditionnelle des taches solaires, car il peut prédire les poussées d’éruptions solaires dangereuses ou l’évolution des tendances météorologiques des années à l’avance.

Plus précisément, la nouvelle recherche, publiée dans Frontières en astronomie et sciences spatiales, montre que le cycle solaire fonctionne comme une séquence distincte d’événements. Des changements notables et parfois brusques se produisent à chaque cinquième d’un cycle. Cela est vrai quelle que soit la durée exacte d’un cycle donné, qui peut varier de plusieurs mois à un an. En clin d’œil aux passionnés de musique, Leamon et ses collègues l’appellent un « cercle des quintes ».

Retrouver les repères

Le nouvel article de Leamon et ses collègues Scott McIntosh, au National Center for Atmospheric Research (NCAR), et Alan Title, au Lockheed Martin Advanced Technology Center, s’appuie sur les travaux de Leamon, McIntosh et Daniel Marsh, également au NCAR, publié en 2020. Cet article a démontré l’existence d’un phénomène de cycle solaire que l’équipe de recherche a surnommé « le terminateur ».

Le champ magnétique du soleil change de direction à chaque cycle solaire, mais il y a un chevauchement entre les cycles consécutifs. Le champ magnétique du soleil est parfois appelé champ polaire car il pointe soit vers l’un des pôles du soleil, soit vers l’autre. Un terminateur marque le moment où le champ polaire du cycle précédent a complètement disparu de la surface du soleil et est rapidement suivi d’une augmentation spectaculaire de l’activité solaire.

Le nouvel article indique des points de repère supplémentaires tout au long du voyage à travers un cycle solaire complet d’un terminateur à l’autre. Ces points de repère sont plus clairs et plus cohérents que l’utilisation des taches solaires comme guide de la durée du cycle. Par exemple, « Le nombre maximum de taches solaires ne correspond pas tout à fait au moment où le champ polaire s’inverse, mais l’inversion du champ polaire se produit à exactement un cinquième du cycle allant d’un terminateur à un terminateur », explique Leamon.

Aux deux cinquièmes d’un cycle, des zones sombres appelées « trous coronaux polaires » se reforment aux pôles du soleil. Aux trois cinquièmes d’un cycle, la dernière éruption X, une classe d’éruptions solaires très importantes et potentiellement dangereuses, se produit. Aux quatre cinquièmes, les taches solaires sont au minimum, mais ce point de repère est moins cohérent. Et puis le soleil traverse un autre terminateur, après quoi l’activité solaire reprend rapidement. D’autres phénomènes, comme les émissions d’UV, s’alignent également joliment sur les quintes.

Symptômes et causes

L’équipe a identifié des modèles dans les données collectées quotidiennement par deux observatoires au sol. L’Observatoire fédéral de radioastrophysique de Penticton, au Canada, mesure quotidiennement depuis 1947 le flux radioélectrique solaire, qui sert d’indicateur utile de l’activité solaire. L’Observatoire solaire Wilcox de l’Université de Stanford recueille des mesures quotidiennes des champs magnétiques à la surface du soleil depuis 1975.

Une fois que l’équipe a remarqué les changements qui se produisent exactement à un cinquième d’un cycle, ils ont demandé : « Combien de choses solaires différentes pouvons-nous regarder ? Et puis nous avons réalisé qu’elles se chevauchaient toutes sur ce même ensemble de cinquièmes », explique Leamon. Différents paramètres changent à différents moments du cycle, mais « tout est lié à ces cinq points de repère ».

Cette nouvelle théorie d’une horloge solaire change l’accent des taches solaires sur les changements de champ magnétique. « C’est presque comme des symptômes et des causes », dit Leamon. Alors que les taches solaires sont un symptôme important, le champ magnétique est la cause sous-jacente du cycle solaire.

Les fils les plus longs

Ce changement de cadre améliore la capacité des chercheurs à prédire les événements du cycle solaire plus précisément et plus à l’avance, ce qui donne aux personnes comme les opérateurs de satellites le temps de se préparer au besoin en fonction de l’activité solaire prévue. Une fois que les observatoires détectent une inversion initiale du champ polaire, la longueur précise du premier cinquième du cycle est définie. Cela signifie que la synchronisation des autres quintes (et leurs événements associés) est une simple question de multiplication.

Le nouveau cadre fixe également des limites plus strictes à la période du cycle où de graves éruptions sont attendues, ce qui est une information utile pour les habitants de la Terre. Plutôt qu’un passage progressif de l’activité minimale à l’activité maximale, la période allant du terminateur à environ les trois cinquièmes d’un cycle semble être la période de pointe pour les poussées, avec une chute rapide après ce point jusqu’au prochain terminateur. Le cycle actuel a commencé après un terminateur en décembre 2021, et le nouveau cadre prévoit que les dernières éruptions majeures devraient se produire à la mi-2027.

Leamon cite une citation du physicien Richard Feynman pour expliquer la valeur d’une théorie comme celle-ci, qui tient compte de nombreuses variables au sein d’un système : « La nature n’utilise que les fils les plus longs pour tisser ses motifs, de sorte que chaque petit morceau de son tissu révèle l’organisation de toute la tapisserie », a déclaré Feynman. La nouvelle théorie de Leamon et ses collègues est un exemple de l’un de ces longs fils – prédisant avec précision de nombreux aspects du cycle solaire avec un seul paramètre simple, et permettant aux humains de se préparer plus facilement aux changements induits par le soleil.