Pôle de Physique Solaire

Illustration des activités de recherche scientifique du pôle

Les particules accélérées

Les électrons sont accélérés à des énergies suprathermiques dans divers sites de la couronne. Le rayonnement radio décimétrique – métrique les révèle dans des circonstances très diverses : les éruptions solaires, mais aussi en relation avec la dynamique des structures à plus grande échelle, les grands jets et éjections de masse. Citons :

• la présence d'électrons énergétiques sur le front d'un CME et l'existence d'électrons accélérés à des énergies relativistes dans des arches magnétiques à plusieurs rayons solaires ;
• l'injection de faisceaux d'électrons de la haute vers la basse couronne, émanant d'une région accélératrice mais se propageant vers la basse couronne le long de chemins divergents — cette observation correspond tout à fait au scénario d'accélération dans un grand jet coronal ("streamer") ;
• la localisation d'une source d'accélération, révélée par des émissions radio à très courte durée et faible largeur spectrale — les "spikes" métriques, près d'une région où le télescope SXT / Yohkoh montre l'origine de deux systèmes de boucles à connectivités magnétiques différentes, à savoir dans une région favorable à la reconnexion magnétique ;
• l'accélération bien connue d'électrons par une onde de choc dans la couronne dont nous avons pu identifier l'origine dans l'expansion rapide d'un système de boucles magnétiques dans une région active en éruption, tracée par SXT / Yohkoh.

Les régions d'accélération dans la couronne accessibles au RH semblent essentielles pour l'étude de l'injection de particules énergétiques dans l'espace interplanétaire. Des études des mécanismes de transport des particules solaires à haute latitude dans le milieu interplanétaire (MIP) ont été entreprises en liaison avec les données d'ULYSSES hors écliptique (HISCALE) et de ACE dans le plan de l'écliptique (programmes Co-I). Il a été en particulier montré que les flux accrus d'électrons sub-relativistes dans l'espace interplanétaire peuvent souvent être reliés à des sources coronales bien identifiées, notamment lors de la restructuration du champ magnétique de la moyenne couronne autour des régions actives. De tels processus peuvent impliquer un vaste domaine de la couronne lors des grandes éruptions associées à certaines éjections de masse étendues et rapides. En outre des ondes de choc en amont de ces éjections, différents sites dans la couronne en aval sont vus en ondes radioélectriques après le passage du front de l'éjection de masse. Le lien temporel de ces émissions radio avec des particules de hautes énergies, notamment les protons relativistes, suggère que ces sites coronaux jouent un rôle majeur dans l'accélération des particules les plus énergétiques que l'activité solaire produit.

Les principales régions d'accélération de particules lors des éruptions se situent plus bas que 0,1 rayon solaire. Les observations en spectrographie montrent des signatures typiques à des fréquences au-dessus de 500 MHz. Les électrons et protons injectés depuis ces sites vers la basse atmosphère solaire interagissent avec le plasma relativement dense de la basse couronne et la chromosphère, produisant des rayonnements X, et centimétrique - millimétrique. Les processus de rayonnement sont bien compris, à tel point que ces signatures nous permettent de déduire des informations sur les spectres d'énergie et les espèces de particules accélérées.

Pour exploiter ces diagnostics, nous menons des recherches multi longueur d'onde par télédétection (X sur Yohkoh et WATCH / Granat, sur Phebus / Granat, Compton GRO, spectro-imagerie X / avec RHESSI, radio et visible). Le but est d'identifier les sites d'accélération, les mécanismes de transport d'énergie et des particules dans la couronne et les chemins d'accès des particules à l'espace interplanétaire. L'expérience Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager (RHESSI) (Co-I) destinée à l'observation simultanée à haute résolution spectrale, temporelle et spatiale des émissions X et (2 keV – 20 MeV) associées aux éruptions solaires a été lancée avec succès début 2002. L'objectif scientifique principal est l'étude des phénomènes de haute énergie associés aux éruptions solaires et à l'accélération des électrons et ions dans le plasma solaire. Ces phénomènes sont liés à la libération rapide de l'énergie magnétique stockée dans des configurations instables, à la conversion non moins rapide de cette énergie en énergie cinétique, au transport des particules dans l'atmosphère solaire et à la conversion de l'énergie magnétique — directement ou par les pertes d'énergie des particules — en énergie thermique du plasma ambiant. L'acquisition de données à haute résolution spectrale devrait permettre de déduire les caractéristiques précises des distributions spectrales des particules accélérées et l'obtention d'images permet de localiser les différents sites de libération d'énergie et de transport des particules. Les premiers spectres obtenus par RHESSI tant dans le domaine X que dans le domaine des raies sont en cours d'analyse. L'obtention simultanée des informations spectrales et spatiales est un atout majeur pour comprendre le lien entre l'accélération et le transport des particules et les caractéristiques des structures magnétiques dans lesquelles ont lieu ces phénomènes. Un élargissement du domaine spectral observable notamment à l'IR spatial (projet MIRAGES) et l'extension de l'imagerie radio à l'ensemble du domaine centimétrique - métrique (projet FASR), donnant pour la première fois accès à l'imagerie décimétrique des principales régions d'accélération sont à l'étude. De nombreux travaux de modélisation sur les rayonnements des particules accélérées viennent par ailleurs soutenir l'interprétation des observations.

De nombreux résultats ont été obtenus sur les particules accélérées. Citons quelques exemples récents.

• Mise en évidence d'une échelle de temps caractéristique de quelques dizaines de ms pour l'accélération des électrons aux énergies relativistes grâce aux observations en rayons X d'énergie > 100 keV de Phebus / Granat.
• Variabilité au cours des éruptions des populations de particules accélérées et production de ces particules dans des sites toujours très complexes. Le lien entre les spectres des particules accélérées, leur accès à des structures magnétiques différentes à toutes échelles et l'apparition de nouveaux sites de dépôt d'énergie a été mis en évidence ainsi qu'un transport d'énergie rapide par des particules non thermiques.
• Premières observations coordonnées des observations de spectro-imagerie X / avec RHESSI et radio métriques – décimétriques (Radiohéliographe de Nançay, Zürich) confirmant l'accélération des particules dans un environnement magnétique complexe et hautement dynamique.
• Evaluation du contenu énergétique en électrons et ions des éruptions solaires à spectres sans raies gamma détectables ("événements dominés par les électrons") et comparaison avec les événements à raies gamma.
• Etablissement des fonctions de distribution des caractéristiques des sursauts X d'énergie > l0 keV à l'aide de la base de données WATCH et confrontation avec les prédictions de modèles d'éruptions statistiques de type "avalanches".

Dernière mise à jour le 28 novembre 2002.