L’observatoire de dynamique solaire a capturé un splendide exemple de boucles coronales en expansion vues de profil au bord du Soleil. Crédit : NASA/Solar Dynamics Observatory
Nous avons tous vu les superbes images et vidéos des boucles coronales. Ce sont des formes magnétiques courbes qui forcent des plasma to travel along their path. They arch up above the Sun, sometimes for thousands of kilometers, before reconnecting with the Sun again.
But a new study says that some of what we’re seeing aren’t loops at all. Instead, they’re a type of optical illusion. Do we know the Sun as well as we think we do?
The Sun’s corona is the outermost layer of its atmosphere. It’s made of plasma, which contains lots of charged particles. That means that it readily responds to electromagnetic fields. The Sun has a powerful magnetic field that varies by place and time. Sometimes that magnetism drives the plasma high above the corona, forming fantastical structures called coronal loops that eventually reconnect to the Sun’s surface. Some of these structures can last for days or even for weeks.
“This is an entirely new paradigm of understanding the Sun’s atmosphere.”
— Anna Malanushenko, lead author.
But if this new study is correct, then it means that many of what appear to be loops aren’t loops.
The new study is published in The Astrophysical Journal. Its title is “The Coronal Veil.” Anna Malanushenko, a scientist at the National Center for Atmospheric Research, is the lead author.
The study is based on an advanced 3D simulation of the Sun’s corona. It allowed scientists to isolate individual coronal loops by slicing the corona into distinct sections. The researchers found some loops, but their results showed that many of what looked like loops weren’t loops at all.
“I have spent my entire career studying coronal loops,” said lead author Malanushenko. “I was excited that this simulation would give me the opportunity to study them in more detail. I never expected this. When I saw the results, my mind exploded. This is an entirely new paradigm of understanding the Sun’s atmosphere.”
Les boucles coronales brillent dans le rayonnement UV extrême en raison de leur température. Leur forme est conforme à notre compréhension du magnétisme, et il est donc logique de conclure qu’il s’agit de boucles. La nouvelle étude ne réfute pas totalement l’existence des boucles. Mais elle en réfute certaines.
Cette nouvelle recherche fait que les scientifiques regardent à nouveau le Soleil et son comportement. Les auteurs de cet article sont perplexes car les boucles coronales ne semblent pas correspondre à ce qu’ils savent du magnétisme.
Les lignes de champ magnétique du Soleil sont puissantes, mais elles doivent encore s’affaiblir plus loin de la source. Donc, si les boucles coronales sont effectivement des boucles qui s’écoulent le long des lignes de champ du Soleil, elles devraient s’écarter au fur et à mesure qu’elles s’éloignent du Soleil. Mais ce n’est pas ce qui se passe. Les images du Soleil montrent que les boucles sont toujours fines et brillantes, même à haute altitude.
“… les boucles coronales semblent ne pas avoir l’expansion visuelle attendue avec l’altitude, car le champ magnétique de confinement s’affaiblit avec l’altitude en moyenne dans la couronne”, soulignent les auteurs dans leur article.
Si ce ne sont pas des boucles, qu’est-ce que c’est ?
Selon les recherches, certaines d’entre elles sont des illusions qu’ils appellent le “voile coronal”. Et leur existence amène les auteurs à remettre en question ce qu’ils pensaient savoir sur le Soleil.
Boucles coronales, observées dans le rayonnement ultraviolet Fe IX 17,1 nm (171 Å) par le vaisseau spatial TRACE le 6 novembre 1999, s’étendant à 120 000 km de la surface du Soleil. Crédit : NASA/TRACE
“Cette étude nous rappelle, en tant que scientifiques, que nous devons toujours remettre en question nos hypothèses et que, parfois, notre intuition peut jouer contre nous”, a déclaré Malanushenko.
Certaines des boucles sont ce qu’ils appellent des artefacts de projection. Mais il n’est pas facile de discerner les boucles coronales réelles des artefacts. “Nous démontrons la difficulté de discerner à partir des observations si une boucle particulière correspond à un brin dans le volume ou à un artefact de projection. Nous démontrons comment des boucles apparemment isolées peuvent tromper les observateurs, même lorsque des observations sous plusieurs angles de vue sont disponibles”, écrivent les auteurs.
Cette recherche est basée sur une simulation révolutionnaire développée en grande partie au NCAR/UCAR. Cette simulation s’appelle MURaM. MURaM est une simulation réaliste qui s’étend des profondeurs du Soleil – environ 10 000 km sous la surface – à près de 40 000 km dans la couronne. Les conditions physiques dans cette large gamme varient considérablement en termes de pression et de densité. MURaM est important parce que les scientifiques n’avaient pas été en mesure de modéliser un tel éventail de conditions avant son développement.
MURaM a permis aux scientifiques d’observer le cycle de vie complet d’une éruption solaire, depuis les profondeurs du Soleil, en passant par l’émergence de l’éruption à la surface, jusqu’à sa libération explosive dans l’espace.
Mais le résultat principal, en ce qui concerne cette étude, est l’ensemble des données créées par MURaM. Ces ensembles de données contiennent la structure du champ magnétique et le plasma qui s’y conforme. MURaM permet aux scientifiques de créer des observations du Soleil, y compris de la couronne, qui sont “artificielles”. La couronne du Soleil est optiquement mince, ce qui signifie qu’il est facile de la voir à travers. Bien que cela puisse sembler être un avantage pour l’observation, ce n’est pas nécessairement le cas.
Cette finesse optique signifie que des structures telles que les boucles coronales peuvent se chevaucher lorsque nous observons le Soleil. Il est alors difficile de distinguer celles qui sont au premier plan de celles qui sont à l’arrière-plan. La finesse optique rend également difficile de discerner l’épaisseur des boucles. Sont-elles épaisses, un peu comme un tuyau d’arrosage ? Ou sont-elles fines, comme un ruban vu sur son bord ?
Il y a une troisième possibilité lorsque l’on observe ces boucles dans la lumière optiquement fine.corona. Au lieu d’un mince fil, les boucles pourraient être une illusion d’optique causée par un pli dans une feuille de plasma.
MURaM est l’une des simulations solaires les plus puissantes jamais créées. Elle s’est avérée robuste à bien des égards, mais les chercheurs restent prudents. Dans cet article, l’équipe a comparé les données de MURaM avec des images réelles du Soleil prises par l’instrument AIA (Atmospheric Imaging Assembly) sur ;” data-gt-translate-attributes=”[{” attribute=””>NASA’s Solar Dynamics Observatory (SDO.)
Images a to d, and f, are AIA images that highlight a particular part of a coronal loop. E is an image from the MURaM simulation. Credit: Malanushenko et al. 2022.
The MURaM simulation’s strength is that researchers can dissect the data from the simulation in a way that’s not possible with actual observations. MURaM produces data cubes that allow researchers to study regions of the Sun in a way that current observatories and instruments can’t.
“Because loops conform to field lines, scientists assume that the loops are plane-of-sky projections of thin magnetic flux tubes full of plasma of different temperatures and densities,” the authors write in their paper. “The areas between these flux tubes are also full of magnetic fields, but the plasma is fainter because it’s less dense. Or it could be a different temperature that doesn’t show up well in the wavelengths of the instrument sensing it.”
The authors studied volumetric emission to see these fainter areas between the flux tubes. Thin slices of MURaM allowed the researchers to dissect the data and look for structures and behavior that aren’t apparent in real images. These slices show that some of what appear to be coronal loops aren’t loops but are made of ridges and wrinkles in the plasma.
These images from the study show what’s called volumetric emission. They’re thin slices of images from MURaM data cubes. Most of these images contain large-scale structures of complex shape, with numerous ridges and wrinkles, rather than structures corresponding to individual coronal loops. These structures are not easy to separate from one another. While some loops could be mapped to distinct, bright blobs, many loops do not seem to correspond with the isolated structures in the volume. Image Credit: Malanushenko et al. 2022.
This study raises questions about our understanding of the Sun. But one of the drawbacks of the study is that it’s based on a simulation. The authors acknowledge this, and that simulations play a more prominent and more significant role in astronomy and astrophysics as time goes on.
Can we trust MURaM?
The authors point out that MURaM is one of the most realistic simulations to date. We know this because it produces many things we can clearly observe about the Sun. “However, it is certainly vulnerable to criticism, like any other simulation. We nonetheless believe that our results are relevant to the actual corona…” they state.
What’s compelling about this discovery is that MURaM isn’t the only simulation to produce results supporting this study’s conclusion.
A study from 2005 based on a different simulation found that the footprint of some coronal loops “… are wrinkled and not geometrically simple…” The authors of this new research say that supports their conclusion that some coronal loops are, in fact, not loops.
Another study in 2014 based on coronal simulations also found emissions that don’t look like loops. Images from that simulation showed a diffuse component, several isolated blobs, and thin, bright, sheet-like structures similar to what MURaM showed in this new research. Wrinkles in those sheet-like structures produced loops that looked like the projection artifacts found in this new research.
This figure is from a 2014 paper based on different coronal simulations. It shows (a) a diffuse component, (b) several isolated blobs, and (c) thin, bright, sheet-like structures. Credit: Winebarger et al. 2014.
The next logical question to ask is: how many of the coronal loops are actual loops, and how many aren’t? New observational techniques will have to answer that, and those techniques will have to be carefully designed. It’ll also require new data handling techniques. But answering the question will lead to a better understanding of solar physics.
“We know that designing such techniques would be extremely challenging, but this study demonstrates that the way we currently interpret the observations of the Sun may not be adequate for us to truly understand the physics of our star,” Malanushenko said.
Originally published on Universe Today.
Reference: “The Coronal Veil” by A. Malanushenko, M. C. M. Cheung, C. E. DeForest, J. A. Klimchuk and M. Rempel, 2 March 2022, The Astrophysical Journal.
DOI: 10.3847/1538-4357/ac3df9
