Le télescope Inouye capture les premières images de tourbillons de Kelvin-Helmholtz à la surface du Soleil

Ce que le télescope a résolu

Le télescope solaire Daniel K. Inouye, d'une ouverture de 4 mètres, se trouve près du sommet du Haleakalā, à Maui. En avril 2025, les chercheurs l'ont pointé vers une région magnétiquement active proche d'une tache solaire. Les images obtenues sont les vues les plus détaillées jamais prises de la surface visible du Soleil. Elles résolvent des structures proches de la limite théorique de l'instrument, soit environ 19 kilomètres.

La photosphère n'est pas lisse. Des cellules de convection brillantes, les granules, montent, se refroidissent puis redescendent. Aux bords de la région active, là où ces granules rencontrent des champs magnétiques concentrés, l'équipe a trouvé des rangées de petits tourbillons et de fines striations.

Les chercheurs ont analysé 47 tourbillons. L'espacement moyen atteignait 65 kilomètres, et les structures individuelles mesuraient de 25 à 170 kilomètres. Les vitesses horizontales apparentes allaient de 0,67 à 3 kilomètres par seconde.

Les formes correspondent à l'instabilité de Kelvin-Helmholtz. Elle apparaît lorsque deux couches de fluide ou de plasma glissent l'une contre l'autre à des vitesses différentes. Le cisaillement à la frontière enroule les petites perturbations en spirales. L'effet a déjà été observé dans la couronne du Soleil et dans l'interaction du vent solaire avec les champs magnétiques planétaires. Il n'avait jamais été vu dans la couche visible de la surface.

Michiel van Noort, chercheur à l'Institut Max-Planck de recherche sur le système solaire, a déclaré que détecter ces tourbillons exigeait de résoudre des structures d'environ 20 kilomètres. L'équipe compare l'exploit à celui de distinguer une pièce d'un euro à 180 kilomètres de distance.

Comment l'équipe a vérifié les images

Les images seules n'auraient pas suffi. L'équipe a comparé les données d'Inouye à des simulations magnétohydrodynamiques réalisées avec le code MURaM par des équipes du High Altitude Observatory du NSF NCAR et de l'Institut Max-Planck de recherche sur le système solaire.

L'espacement entre les tourbillons, c'est-à-dire la longueur d'onde de l'instabilité, se situait entre 50 et 65 kilomètres dans les données du télescope comme dans les modèles. Les taux de croissance et les vitesses tombaient dans des plages similaires.

« Ces observations constituent aussi la validation à plus haute résolution des simulations magnétohydrodynamiques solaires réalisée à ce jour, et la concordance des détails physiques est impressionnante », a déclaré Matthias Rempel, du High Altitude Observatory.

« Cela n'avait jamais été observé à ce niveau à la surface du Soleil », a déclaré le coauteur Friedrich Wöger, chercheur senior au National Solar Observatory.

Pourquoi les tourbillons comptent

Les tourbillons enroulent et emmêlent les lignes du champ magnétique du Soleil. Un champ sous contrainte peut se rompre et libérer l'énergie qui alimente les éruptions solaires et les éjections de masse coronale. Ces éruptions projettent vers la Terre des particules capables de perturber les satellites, les réseaux électriques, le GPS et les systèmes de communication.

Le résultat explique un mécanisme. Il n'améliore encore aucune prévision opérationnelle.

L'équipe rapporte que les tourbillons apparaissaient presque partout où elle regardait le long des frontières magnétiques, et non comme des perturbations isolées. « Ce qui nous a vraiment surpris, c'est le nombre d'événements KHI que nous avons trouvés », a déclaré David Kuridze, du National Solar Observatory, à ScienceAlert. L'article ne chiffre pas l'énergie que les tourbillons injectent dans le système.

La photosphère se situe autour de 5 800 K. La couronne au-dessus d'elle dépasse régulièrement le million de kelvins. Cet écart reste un problème ouvert depuis des décennies. Les physiciens solaires pensent depuis longtemps que les lignes du champ magnétique s'enroulent en tresses, se déstabilisent et se rompent lors d'un processus appelé reconnexion magnétique, libérant une bouffée d'énergie. Ce qui les enroulait restait la question ouverte. Les tourbillons observés sont une réponse possible : un moteur constant, à petite échelle, qui retresse le champ sans arrêt.

« L'instabilité de Kelvin-Helmholtz est probablement un mécanisme qui contribue au chauffage de l'atmosphère externe et fait partie de la solution à l'énigme de longue date : pourquoi les étoiles ont-elles une couronne à un million de degrés », a déclaré Thomas Rimmele, technologue en chef au National Solar Observatory.

Les tourbillons touchent un second problème. Le cycle magnétique du Soleil dure environ 11 ans. Les modèles actuels ont du mal à diffuser l'énergie magnétique assez vite pour coller à ce rythme, selon Kuridze. Les tourbillons mélangent plasma magnétisé et plasma non magnétisé, ce qui accélère la diffusion des champs magnétiques dans la basse atmosphère, selon l'analyse.

La suite

La prochaine étape consiste à faire tourner des programmes automatisés sur les données d'Inouye. L'objectif : déterminer la part des tourbillons dans le chauffage de l'atmosphère solaire et dans la diffusion de ses champs magnétiques.

« Nous pensons que la découverte de l'instabilité de Kelvin-Helmholtz dans la photosphère solaire, étayée par l'analyse de simulations numériques, constitue un grand pas en avant dans notre compréhension de la dynamique et de l'évolution des plasmas solaires et stellaires, et servira de base à de futures découvertes », a déclaré David Boboltz, directeur adjoint du National Solar Observatory.

Le jeu de données a une réserve. Les observations couvrent une seule région active près d'une tache solaire. Le comportement du processus sur l'ensemble du cycle solaire reste non testé.