BOULDER, COLORADO-Pendant tout le mois de février, le soleil est presque sans taches, un cercle lisse rempli avec un crayon de couleur orangé. Cela fait plus d’une décennie qu’il n’a pas été aussi dépourvu de taches solaires – des nœuds magnétiques sombres aussi grands que la Terre qui sont un baromètre du tempérament du soleil. Sous la surface, cependant, une transition radicale se prépare. Dans cinq ans environ, le soleil sera inondé de taches solaires et plus enclin à de violentes explosions d’activité magnétique. Puis, dans 11 ans environ, le cycle solaire s’achèvera : Les taches solaires s’estomperont et le soleil redeviendra calme.
Début mars, une douzaine de scientifiques descendent ici au National Center for Atmospheric Research (NCAR) pour prédire quand le soleil atteindra son apogée, et à quel point il deviendra indiscipliné. Alors que la lumière se reflète sur la neige accrochée aux arbres et traverse les hautes fenêtres d’une salle de conférence, le comité de prévision du cycle solaire 25 entre en action. La NASA et la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) parrainent ces groupes depuis 1989, dans le but de comprendre ce qui détermine les cycles solaires de 11 ans et d’évaluer les méthodes permettant de les prévoir. Mais l’exercice n’est pas seulement académique : L’armée, les opérateurs de satellites et les compagnies d’électricité veulent tous savoir ce que le soleil leur réserve, car les éruptions et les salves de particules chargées qui marquent le maximum solaire peuvent endommager leurs technologies.
Les taches solaires peuvent être vues à l’œil nu, mais ce n’est qu’au milieu des années 1800 que les astronomes ont réalisé qu’elles vont et viennent selon un calendrier approximatif. Elles apparaissent d’abord aux latitudes moyennes, puis prolifèrent, migrant vers l’équateur en 11 ans environ. En 1848, l’astronome suisse Johann Rudolf Wolf a publié un compte-rendu des taches solaires, identifiant 1755-66 comme le « cycle 1 », la première période où les comptages étaient fiables. Il a ensuite créé une formule pour compter le nombre de taches solaires quotidiennes – une technique quelque peu subjective qui a évolué vers une méthode de comptage utilisée aujourd’hui pour marier les ensembles de données à travers les siècles.
Les cycles sont toutefois capricieux. Parfois, le soleil se tait pendant des décennies, avec un nombre anémique de taches solaires sur plusieurs cycles – comme cela s’est produit au cours du soi-disant minimum de Dalton du 19e siècle. Ce sont ces variations que les scientifiques du NCAR se sont réunis pour prévoir. Le problème est que personne – dans cette salle ou ailleurs – ne sait vraiment comment fonctionne le soleil.
La plupart des modèles bribent la réalité, mais aucun ne reconstitue l’ensemble du puzzle. La dernière fois que le groupe s’est réuni, en 2007, ses scientifiques ont évalué des dizaines de modèles et ont abouti à une prédiction qui était loin d’être parfaite. Elle manquait le moment du maximum, avril 2014, de près d’un an, ainsi que la faiblesse générale du dernier cycle. Ce panel, une liste de who’s who de scientifiques solaires, ne sait pas s’il fera mieux.
Alors que l’horloge du NCAR fait tic-tac vers l’heure de début, les panélistes sont assis dans un silence gênant, serrant leurs tasses de café compostables. Ils savent ce que réservent les 4 prochains jours : des combats sur la physique et l’intuition, la croyance et les données, la corrélation et la causalité. Des tensions planent sur le rassemblement : Scott McIntosh, directeur de l’observatoire de haute altitude (HAO) du NCAR, a un bureau au-dessus de la salle de réunion et sa propre vision peu orthodoxe de ce qui détermine le cycle solaire et de la manière de le prévoir. Mais McIntosh, franc et provocateur, n’a pas été invité à faire partie du panel, bien qu’un collaborateur présentera les recherches de l’HAO.
À 8h30, le chef sérieux du panel, Doug Biesecker – qui travaille au centre de prévision de la météo spatiale de la NOAA ici et se déplace à vélo quel que soit le temps – appelle tout le monde à la tâche : trier les nombreux modèles et parvenir à un consensus sur le prochain cycle. « Le désordre que vous obtenez de la communauté doit être synthétisé en quelque chose qui est idéalement correct », dit Biesecker. « Mais vous savez, comment pouvons-nous savoir ce qui sera correct ? »
Ils ne peuvent pas.
Comme pour prouver le point, 14 taches solaires surprises apparaissent, bouillonnant sur la surface qui avait été si dépourvue de caractéristiques pendant si longtemps.
Même pendant ses jours les plus calmes, le soleil bouillonne. Alimenté par la fusion dans son noyau, le soleil est une boule de particules chaudes et chargées, ou plasma, qui bouillonne constamment, générant des courants électriques qui induisent à leur tour des champs magnétiques. Au cœur du soleil se trouve une zone radiative dense, où les photons se frayent lentement un chemin vers l’extérieur. À un certain point – dans le tiers externe du soleil – le plasma se refroidit suffisamment pour permettre la convection, un mouvement d’ébullition qui transporte l’énergie vers la surface. Dans cette zone, le soleil tourne de manière différentielle : plus vite à l’équateur qu’aux pôles. Les mouvements de cisaillement qui en résultent étirent et tordent les champs magnétiques, les renforçant – un processus qui affecte en quelque sorte le cycle de 11 ans. Les lignes de champ enchevêtrées font parfois irruption dans la zone convective et dépassent de la surface, formant des taches solaires.
Le flux et le reflux du soleil affectent la Terre. Sa haute atmosphère absorbe les rayons ultraviolets du soleil, qui s’atténuent légèrement au minimum solaire. Cela entraîne un refroidissement et un rétrécissement de l’atmosphère, ce qui réduit la friction pour les satellites volant à basse altitude. Dans les cycles solaires calmes, les opérateurs supposent que leurs satellites resteront plus longtemps en orbite – et comme il en va de même pour les débris spatiaux, le risque de collision augmente. Le champ magnétique du soleil s’affaiblit également au minimum solaire, ce qui constitue une autre menace pour les satellites. Le champ affaibli rebute moins de rayons cosmiques galactiques, des particules de haute énergie qui peuvent retourner des bits dans l’électronique des satellites.
Au maximum solaire, en revanche, le soleil chauffe et gonfle la haute atmosphère de la Terre, et il s’embrase souvent et libère ses propres particules. Elles ne sont pas aussi énergétiques que les rayons cosmiques galactiques, mais elles arrivent par flots. Selon Biesecker, au maximum solaire, ces « éjections de masse coronale » de particules chargées sont dix fois plus fréquentes qu’au minimum. Quelques heures ou quelques jours après que le soleil les ait crachées, les particules se précipitent dans le champ magnétique de la Terre, provoquant des tempêtes géomagnétiques qui peuvent durer plusieurs jours. Ces tempêtes peuvent perturber les communications, interrompre le suivi des engins spatiaux et des missiles, et fausser les mesures GPS. Elles peuvent également induire de puissants courants dans les réseaux électriques, ce qui peut détruire les transformateurs et autres équipements. Les équipages aériens à haute altitude, en particulier près des pôles, peuvent être douchés par les particules énergétiques du soleil – un risque de cancer.
Tout cela ajoute à l’importance pratique des prévisions du panel. « Si vous concevez un satellite pour une durée de vie de 10 ou 12 ans, vous devez tenir compte du cycle », explique Michael Martinez, vice-président des opérations de mission chez Maxar à Westminster, dans le Colorado, qui fabrique des orbiteurs d’imagerie à haute résolution. Les concepteurs doivent s’assurer qu’un satellite a suffisamment de propergol pour combattre la friction d’une atmosphère en expansion lorsque le soleil s’approche de son maximum, et ils doivent protéger son électronique des particules solaires.
Le plus inquiétant est la perspective d’une tempête solaire majeure, comme l’événement de Carrington de 1859. Pendant cette tempête, le soleil a éjecté des milliards de tonnes de particules chargées, provoquant des aurores jusqu’au sud des Caraïbes et générant des courants dans les lignes télégraphiques suffisamment puissants pour choquer les opérateurs. Aujourd’hui, l’effet d’un tel événement sur les ordinateurs et les communications serait terrible. Les systèmes de transactions financières pourraient s’effondrer. L’électricité et l’eau pourraient facilement être coupées. « Ce serait probablement Les Jeux de la faim assez rapidement », dit McIntosh.
Si vous concevez un satellite pour une durée de vie de 10 ou 12 ans, vous devez tenir compte du cycle.
McIntosh ne remet pas en question la nécessité de se préparer, mais il est sceptique quant à l’approche du panel. En fait, il pense que sa prémisse même – prédire l’augmentation et la diminution des taches solaires – n’est pas fondée. Les taches solaires, et le cycle lui-même, ne sont que des symptômes d’une histoire encore mystérieuse qui se joue à l’intérieur du soleil.
Lika Guhathakurta, observatrice du panel au centre de recherche Ames de la NASA en Californie, est d’accord. « La tache solaire n’est pas un indice physique de quoi que ce soit », dit-elle, après les exposés introductifs de la matinée. « Donc, le fait que nous l’ayons utilisé comme un proxy en soi pose en quelque sorte un problème ». Utiliser les taches solaires – un effet secondaire, pas une cause – pour prédire le comportement futur du soleil, c’est comme essayer de deviner la théorie des germes des maladies en regardant un nez qui coule, pensent-elle et McIntosh.
Mais comme les panélistes se sont réunis spécifiquement pour prédire le nombre de taches solaires, ils persévèrent, examinant environ 60 modèles au cours des 4 jours suivants. Chacun d’entre eux prédit le nombre de taches solaires au maximum solaire, ainsi que le moment du minimum et du maximum.
Plusieurs de ces modèles s’appuient sur des « précurseurs » – des proxies observables, qui ne sont pas sans rappeler les taches solaires elles-mêmes, et qui se sont avérés empiriquement utiles pour prédire le moment ou l’ampleur du maximum solaire. L’un de ces précurseurs est l’intensité du champ magnétique aux pôles du soleil au moment du minimum solaire. Les télescopes peuvent mesurer l’intensité de ce champ en évaluant comment les atomes situés au-dessus de la surface du soleil absorbent certaines longueurs d’onde de la lumière. Un champ faible est généralement annonciateur d’un cycle calme, car les champs polaires représentent les graines qui se développeront sous forme de taches solaires et donneront lieu à l’activité du cycle solaire à venir. Robert Cameron, panéliste et physicien solaire à l’Institut Max Planck pour la recherche sur le système solaire à Göttingen, en Allemagne, affirme que sur environ quatre cycles d’observation directe et plus d’un siècle de données indirectes, la corrélation « est bonne et hautement significative sur le plan statistique. »
D’autres modèles précurseurs reposent sur les effets du cycle solaire sur la Terre. Pendant 170 ans, par exemple, les observatoires du monde entier ont suivi les perturbations du champ magnétique terrestre, qui ont tendance à être plus fréquentes au maximum solaire. Mais en mesurant quelque chose sur la Terre plutôt que sur le soleil, les méthodes sont un peu éloignées, explique Dean Pesnell, responsable scientifique du projet Solar Dynamics Observatory de la NASA et chercheur au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, dans le Maryland. « Leur bilan est mitigé. »
Une autre approche ressemble aux prévisions climatiques : utiliser des simulations du soleil basées sur la physique pour prédire son évolution. Les modèles, qui combinent les théories de l’électromagnétisme et de la dynamique des fluides, partent des conditions actuelles du soleil et calculent son évolution au cours du cycle. Et ils s’améliorent, affirme Maria Weber, membre du panel et chercheuse à l’université de Chicago (Illinois). Grâce à l’augmentation de la puissance de calcul et à l’amélioration des algorithmes, les scientifiques peuvent effectuer en quelques heures des simulations qui, il y a dix ans, auraient pris des semaines. Ils disposent également de plus de mesures pour calibrer les modèles : non seulement le nombre de taches solaires et les mesures du champ polaire, mais aussi les données d’héliosismologie – des mesures de vibrations qui sondent l’intérieur du soleil – qui peuvent capturer le flux de plasma sous la surface du soleil.
Un soleil sans taches, tel qu’il a été vu en mai par l’Observatoire de dynamique solaire de la NASA. Le soleil est proche du minimum solaire.
NASA/SDO ; ÉQUIPES SCIENTIFIQUES AIA, EVE, ET HMI
Ces modèles de « dynamo » permettent de comprendre comment la forme du champ magnétique du soleil change au cours d’un cycle. Au début, le champ est principalement poloïdal – avec des lignes de champ allant d’un pôle à l’autre comme celles d’un barreau aimanté. Mais lorsque la rotation différentielle du soleil déforme le champ magnétique, sa forme devient toroïdale, s’enroulant autour de l’étoile comme un beignet. « C’est à ce moment-là que le magnétisme crée spécifiquement les taches solaires », explique Weber.
Avec le temps, le « flux méridional », une circulation d’équateur à pôle dans la zone convective, reconduit ces champs magnétiques superficiels vers les pôles, convertissant les champs toroïdaux en champs poloïdaux. Bien que les modèles soient capables de recréer ce cycle de base de 11 ans, Weber affirme qu’ils ont encore un gros défaut. « Aucun modèle de dynamo n’a été capable de créer réellement des taches solaires », explique Weber. Les modélisateurs utilisent un magnétisme toroïdal intense comme proxy pour les bandes productrices de taches solaires.
D’autres modèles encore cherchent des corrélations comme un théoricien de la conspiration : partout où ils peuvent les trouver. L’un d’eux examine comment le déclin des taches solaires il y a trois cycles se rapporte au pic du cycle actuel. Un autre établit un lien entre la durée du cycle précédent et le nombre minimum de taches solaires. « Il n’y a pas beaucoup de physique en jeu », concède Rachel Howe, de l’université de Birmingham, au Royaume-Uni, qui a été chargée d’examiner le méli-mélo de modèles statistiques. « Il n’y a pas non plus beaucoup de sophistication statistique. »
Le panéliste Andrés Muñoz-Jaramillo, du Southwest Research Institute de Boulder, est d’accord avec Howe. « Il n’y a pas le moindre lien avec la physique solaire », dit-il avec frustration. McIntosh, qui est descendu de son bureau et apparaît dans l’embrasure de la porte, est plus brutal. « Vous essayez de vous débarrasser de la numérologie ? » dit-il en souriant.
« C’est ainsi que certaines sciences se sont produites, proteste Lisa Upton, coprésidente de Biesecker et physicienne à la Space Systems Research Corporation à Alexandria, en Virginie : Vous trouvez une relation quantitative obscure que vous ne comprenez pas, et ce n’est que plus tard que vous modélisez ce qu’elle signifie physiquement.
Biesecker concède le point. « Mais nous n’en avons pas vraiment trouvé une qui semble fonctionner », dit-il. « Et nous le faisons depuis des centaines d’années. »
McIntosh est irrité que le panel pèse des modèles qu’il considère comme douteux. « C’est ainsi que naissent les églises », dit-il. « Vous êtes un disciple d’un disciple d’un disciple ». McIntosh, qui n’a pas étudié l’astrophysique à l’école et s’est plutôt concentré sur les mathématiques et la physique, a sa propre idée du fonctionnement du soleil – et elle ne découle pas de l’un des modèles populaires.
Vers 2002, il a commencé à cataloguer les caractéristiques brillantes qui, dans les images ultraviolettes extrêmes de l’atmosphère extérieure du soleil, ou couronne, ressemblent à des bouées flottant dans le plasma incandescent. Il a découvert que ces points brillants suivent une trajectoire similaire à celle des taches solaires, sauf qu’ils commencent plus haut, à environ 55° de latitude, avant de se diriger vers l’équateur. McIntosh émet l’hypothèse que les taches solaires et les points lumineux reflètent des bandes parallèles de flux magnétique qui, au début de chaque cycle, apparaissent à des latitudes élevées et, comme une horloge, se rejoignent à l’équateur à la fin du cycle. Les points lumineux, cependant, pourraient être de meilleurs marqueurs pour les bandes – plus étroitement liés à ce qui se passe au plus profond du soleil.
Si les prédictions se confirment, à un moment donné, quelqu’un doit s’asseoir et en prendre note.
Lors du dernier minimum solaire, il a observé que les points brillants – et vraisemblablement, les bandes – se chevauchaient à l’équateur. McIntosh appelle cette rencontre « le Terminator », car il pense que c’est le moment où les deux bandes – qui ont une polarité magnétique opposée – s’annulent mutuellement, marquant la fin abrupte d’un cycle de 11 ans et le début du suivant. Mais comme les pôles magnétiques nord et sud du soleil s’inversent à la fin de chaque cycle, M. McIntosh préfère parler d’un cycle étendu de 22 ans. Il espère qu’en comprenant les bandes, les scientifiques seront enfin en mesure de produire des prévisions fiables et précises.
L’équipe travaille encore sur la raison exacte de la formation de ces bandes supposées. Dans un article publié en 2014 dans The Astrophysical Journal, McIntosh et ses collègues ont exposé leur meilleure hypothèse : des cellules géantes tourbillonnantes près de la base de la zone convective forment des tubes de flux magnétique qui apparaissent à la surface comme des bandes d’activité.
Au milieu de leurs recherches, ils ont découvert qu’ils n’étaient pas seuls : Dans les années 1980, d’autres scientifiques avaient publié dans Nature un article décrivant essentiellement la même idée. Mais ce travail a disparu dans l’obscurité. Aujourd’hui, l’idée d’un cycle prolongé de 22 ans fait à nouveau son chemin chez certains chercheurs. Mausumi Dikpati, scientifique à l’HAO, a récemment publié un article dans Nature qui reprend les idées de McIntosh. Selon elle, les bandes magnétiques produisent également des « barrages magnétiques », qui retiennent le plasma accumulé. Lorsque les bandes se rencontrent et s’annihilent mutuellement, les barrages se brisent. Le plasma remonte de l’équateur vers les latitudes moyennes à une vitesse de 300 mètres par seconde dans ce que Dikpati appelle un « tsunami solaire ». Les ondes entraînent les champs magnétiques vers la surface, créant les premières taches solaires du cycle suivant quelques semaines plus tard.
Dikpati, qui est conseiller du panel, présente ces recherches aux panélistes qui, à ce stade, ont beaucoup à prendre en compte avant de voter.
Au dernier jour, la neige a fondu sur les pins. Il est temps pour le panel de faire sa prédiction. Biesecker semble fatigué alors qu’il se tient devant les panélistes. « Un consensus entre experts peut souvent constituer une meilleure prédiction de l’état futur d’un système que l’ensemble des prédictions individuelles », dit-il.
McIntosh plane à nouveau dans l’embrasure de la porte tandis que les panélistes votent solennellement, leurs prédictions et leurs estimations de l’incertitude reposant sur une évaluation instinctive des modèles. Biesecker compile consciencieusement les estimations et propose une fourchette de taches solaires maximales : 95 à 130. Cela signifie que le cycle est faible, mais pas de façon notable, et qu’il est légèrement plus fort que le cycle précédent. Il fait de même avec les votes concernant le moment du minimum. Le consensus est qu’il aura lieu entre juillet 2019 et septembre 2020. Le maximum suivra quelque part entre 2023 et 2026.
McIntosh a sa propre prédiction privée : un pic de 155 taches solaires, à la mi-2023. Il concède qu’il pourrait se tromper. Mais une prédiction réussie, espère-t-il, fera gagner à son modèle une certaine acceptation. « Si les prédictions se maintiennent », dit McIntosh, « à un moment donné, quelqu’un doit s’asseoir et en tenir compte. »
Qui, si quelqu’un a raison, ne sera pas connu avant des années. En attendant, le soleil, qui s’approche du minimum, se révèle aussi surprenant que jamais. La nuit précédente, cette région active de taches solaires a fait éruption pendant une heure d’affilée. Les particules de l’éjection de masse coronale arriveront dans quelques jours.
Alors que le panel prépare ses prédictions et perfectionne ses messages, la tempête charge vers la Terre, prête ou non.
*Clarification, 19 juin, 14 heures : l’affiliation de Michael Martinez a été modifiée pour refléter l’absorption de DigitalGlobe par la nouvelle société mère, Maxar.