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Analysis of Lyman-beta and Lyman-gamma Lines in a Pre-Eruptive and Eruptive Prominence with Solar Orbiter SPICE Observations

Cette étude présente la première observation dédiée d'une protubérance hors disque par l'instrument SPICE de Solar Orbiter, démontrant le potentiel diagnostique des raies de Lyman pour analyser les variations dynamiques de densité, de température et d'épaisseur optique lors d'une éruption, tout en permettant le calcul de la vitesse radiale du filament.

Auteurs originaux : Yong Zhang (SUPA School of Physics and Astronomy, University of Glasgow, Glasgow G12 8QQ UK), Nicolas Labrosse (SUPA School of Physics and Astronomy, University of Glasgow, Glasgow G12 8QQ UK), Susann

Publié 2026-04-16

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : Yong Zhang (SUPA School of Physics and Astronomy, University of Glasgow, Glasgow G12 8QQ UK), Nicolas Labrosse (SUPA School of Physics and Astronomy, University of Glasgow, Glasgow G12 8QQ UK), Susanna Parenti (Institut d'Astrophysique Spatiale, Bat 121, Université Paris-Saclay/CNRS 91405 Orsay Cedex France), Therese A. Kucera (Heliophysics Science Division, NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, MD, 20771 USA)

Article original sous licence CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

🌞 Une éruption solaire vue par un "super-œil" spatial

Imaginez le Soleil comme un géant bouillonnant de plasma (un gaz surchauffé). Parfois, il crache de gigantesques boucles de matière, comme des éruptions volcaniques, appelées prominences. Le 15 avril 2023, une de ces éruptions a eu lieu, et les scientifiques ont eu la chance de l'observer de très près grâce à une sonde spatiale appelée Solar Orbiter.

Cette sonde transporte un instrument spécial nommé SPICE. On peut le comparer à un scanner médical ultra-puissant pour le Soleil. Au lieu de prendre juste une photo, il analyse la "lumière" (le spectre) émise par le gaz pour comprendre de quoi il est fait, à quelle température il est et comment il bouge.

🔍 Ce que les scientifiques ont cherché : Les empreintes digitales de l'hydrogène

Dans cette éruption, les chercheurs se sont concentrés sur deux lignes de lumière spécifiques, appelées Lyman bêta et Lyman gamma.

L'analogie : Imaginez que l'hydrogène (l'ingrédient principal du Soleil) chante une chanson. Chaque note de cette chanson correspond à une couleur précise. Les scientifiques ont écouté deux notes précises de cette chanson.
Pourquoi ? La façon dont ces notes sont chantées (leur intensité, leur largeur, leur décalage) révèle la température, la densité et la vitesse du gaz. C'est comme si, en écoutant la voix d'une personne, vous pouviez savoir si elle a de la fièvre, si elle est essoufflée ou si elle court.

📊 Les découvertes principales

1. Avant et pendant l'éruption : Un changement de régime

Avant l'éruption, la prominence était calme, comme un lac tranquille. Pendant l'éruption, c'est devenu une tempête.

Ce qu'ils ont vu : La lumière émise par la prominence (surtout la note "Lyman bêta") est devenue beaucoup plus brillante, parfois même plus brillante que la surface du Soleil elle-même !
L'explication : C'est comme si, au moment de l'éruption, le gaz avait été soudainement chauffé et comprimé, le rendant plus dense et plus lumineux. Cependant, certaines parties de l'éruption sont devenues plus sombres et plus fines, comme si le gaz s'était dilué en s'éloignant.

2. La largeur de la "note" : Le signe de l'agitation

Les scientifiques ont mesuré la "largeur" de ces notes de lumière.

L'analogie : Si vous chantez une note parfaitement stable, le son est fin et net. Si vous chantez en tremblant ou en courant, le son devient plus large et flou.
Le résultat : Avant l'éruption, la "note" était assez large, indiquant une certaine agitation. Pendant l'éruption, la largeur a changé, montrant que le gaz bougeait de manière très dynamique et chaotique.

3. La vitesse de l'éruption : Une nouvelle méthode de calcul

C'est ici que l'étude devient très ingénieuse. Mesurer la vitesse d'un objet qui s'éloigne directement de nous (vitesse radiale) est difficile avec une simple caméra 2D, un peu comme essayer de deviner la vitesse d'une voiture qui s'éloigne droit devant vous en regardant juste sa silhouette.

La solution des chercheurs : Ils ont inventé une nouvelle méthode mathématique. En comparant deux photos prises à quelques minutes d'intervalle (comme un feuillet de bande dessinée), ils ont pu calculer la vitesse réelle de l'éruption en supposant qu'elle partait tout droit du Soleil.
Le résultat : Ils ont estimé que la matière s'échappait à environ 30 à 40 km par seconde. C'est rapide, mais pas assez pour créer un décalage de couleur (effet Doppler) visible à l'œil nu sur leurs instruments. C'est comme si la voiture s'éloignait assez vite pour qu'on la perde de vue, mais pas assez vite pour que son son change de tonalité de manière drastique.

🚀 Pourquoi est-ce important ?

Cette étude est comme un premier rapport de terrain pour une nouvelle ère de l'observation solaire.

Météo de l'espace : Comprendre comment ces éruptions se forment et se déplacent aide à prévoir les tempêtes solaires qui peuvent perturber nos satellites et nos réseaux électriques sur Terre.
Nouveaux outils : Les chercheurs ont prouvé que l'instrument SPICE est capable de voir des détails incroyables. Ils ont aussi créé une nouvelle "règle de calcul" pour mesurer la vitesse des éruptions sans avoir besoin d'instruments complexes, juste avec deux images.

En résumé

Les scientifiques ont utilisé un scanner spatial pour écouter la "chanson" de l'hydrogène dans une éruption solaire. Ils ont découvert que l'éruption transforme le gaz calme en une tempête lumineuse et dense. Grâce à une astuce mathématique basée sur deux photos, ils ont pu estimer la vitesse de cette tempête. C'est une étape cruciale pour mieux comprendre la météo de notre étoile et protéger notre technologie sur Terre.

Note : L'article mentionne que pour aller plus loin, ils utiliseront des modèles informatiques complexes (Non-LTE) pour simuler exactement ce qui se passe dans ces nuages de gaz, un peu comme un météorologue utilise des supercalculateurs pour prévoir la pluie.

Titre : Analyse des raies Lyman $\beta$ et Lyman $\gamma$ dans une protubérance pré-éruptive et éruptive avec les observations de Solar Orbiter SPICE

1. Problématique et Contexte

Les protubérances solaires, structures de plasma à grande échelle suspendues dans la couronne, jouent un rôle crucial dans la dynamique de l'atmosphère solaire et sont souvent associées aux éjections de masse coronale (CME). Comprendre les conditions physiques (température, densité, pression, vitesse) au sein de ces structures est essentiel pour améliorer la prévision de la météorologie spatiale.

Bien que les séries de Lyman de l'hydrogène soient des diagnostics éprouvés pour le plasma chromosphérique et de la région de transition, leur comportement lors des phases pré-éruptives et éruptives des protubérances reste à explorer en détail. Cette étude vise à combler ce vide en analysant les premières observations dédiées d'une protubérance hors du disque (off-limb) par l'instrument SPICE (Spectral Imaging of the Coronal Environment) à bord de la mission Solar Orbiter, lors d'un événement survenu le 15 avril 2023. L'objectif est de dériver les changements des paramètres physiques en utilisant les raies Lyman $\beta$ (102,57 nm) et Lyman $\gamma$ (97,25 nm).

2. Méthodologie

L'analyse repose sur une combinaison de données multi-instrumentales et de méthodes de traitement spécifiques :

Données Observations :
- Solar Orbiter/SPICE : Observations dans les canaux longueurs d'onde (LW) couvrant 96,0–105,8 nm. Les données couvrent la phase pré-éruptive (07:03–08:09 UT) et la phase éruptive (08:13–11:58 UT). La résolution spatiale est de 6,7" et la résolution spectrale d'environ 0,07 nm.
- GONG (H $\alpha$ ) : Images H $\alpha$ (656,3 nm) du télescope El Teide pour suivre la dynamique de l'éruption et estimer les vitesses radiales.
- STEREO/EUVI-A : Images EUV à 19,5 nm pour une validation croisée de la vitesse radiale.
Analyse Spectrale :
- Intensité Intégrée : Calculée sur une fenêtre de 0,17 nm autour du centre de chaque raie. L'ajustement gaussien a été évité car les profils de raies sont intrinsèquement non gaussiens (effets d'épaisseur optique, bruit, mélange de raies).
- Largeur de Raie : Une méthode de quantile (basée sur la fonction de distribution cumulative - CDF) a été utilisée pour déterminer la largeur des raies (entre les percentiles 12 % et 88 %), offrant une robustesse supérieure au fitting gaussien face au bruit et aux asymétries. Les largeurs instrumentales ont été corrigées (Linst $\approx$ 0,0775 nm).
- Estimation de la Vitesse Radiale : Une nouvelle méthode géométrique a été développée pour calculer la vitesse radiale à partir de paires d'images 2D (H $\alpha$ et EUVI), en supposant une éruption radiale et un mouvement uniformément accéléré.

3. Contributions Clés

Première observation dédiée : Il s'agit de la première étude détaillée d'une protubérance hors du disque par SPICE, couvrant la transition de la phase calme à la phase éruptive.
Nouvelle méthode de vélocimétrie : Développement d'une technique permettant d'estimer la vitesse radiale d'un filament éruptif à partir de deux images 2D prises à des instants différents, sans nécessiter de mesures Doppler directes (souvent limitées par la résolution spectrale).
Analyse comparative des phases : Mise en évidence des différences spectrales et spatiales entre les phases pré-éruptive et éruptive, offrant un aperçu de l'évolution thermodynamique du plasma.

4. Résultats Principaux

Intensité Intégrée et Rapports de Raies :
- Le rapport d'intensité intégrée Lyman $\beta$ / Lyman $\gamma$ est d'environ 2,5 dans le disque et la protubérance, suggérant des conditions de transfert radiatif similaires (probablement par diffusion résonnante). Ce rapport varie fortement dans la couronne en raison du faible rapport signal/bruit.
- Phase éruptive : L'intensité de la Lyman $\beta$ dans la région 1 de la protubérance augmente considérablement, dépassant parfois celle du disque solaire. Cela indique un chauffage accru, une augmentation de la densité de colonne d'hydrogène ou une compression. À l'inverse, la région 2 montre une intensité plus faible, suggérant une densité réduite.
Largeurs de Raies (Thermique et Non-Thermique) :
- Phase pré-éruptive : Les largeurs intrinsèques sont similaires pour la protubérance et le disque (Ly $\beta$ : ~0,10 nm ; Ly $\gamma$ : ~0,13-0,16 nm), indiquant des conditions de formation de raies comparables.
- Phase éruptive : Les largeurs de raies de la protubérance et du disque deviennent comparables (~0,05 nm intrinsèque), mais la région 1 présente des profils plus larges et plus intenses que la phase calme, tandis que la région 2 est plus étroite.
- Les résultats suggèrent que les conditions de plasma des protubérances proches de l'éruption diffèrent significativement de celles des protubérances calmes, influençant l'élargissement des raies.
Vitesses Radiales et Effet Doppler :
- L'estimation de la vitesse radiale à 10:07 UT donne une valeur d'environ 31 ± 7 km/s (H $\alpha$ ) et 44 ± 5 km/s (STEREO).
- Le décalage Doppler estimé pour la Lyman $\beta$ est d'environ 0,015 nm, ce qui est comparable à la largeur de la raie. Cela suggère que l'effet Doppler est présent mais reste en dessous de la limite de résolution spectrale de SPICE (~30 km/s), expliquant l'absence de décalage significatif détecté directement dans les profils spectraux.
- L'éruption amplifie les variations spatiales et temporelles de l'intensité et des mouvements le long de la ligne de visée.

5. Signification et Perspectives

Cette étude démontre le potentiel diagnostique des observations SPICE pour caractériser les plasmas de protubérances en éruption. Les résultats soulignent que les processus éruptifs modifient dynamiquement les conditions du plasma (chauffage, compression, mouvements), ce qui se traduit par des changements mesurables dans les profils des raies de Lyman.

La méthode proposée pour estimer la vitesse radiale à partir d'images 2D offre un outil rapide et efficace pour contraindre les paramètres cinématiques des éruptions, complétant les mesures spectrales. Ces travaux préparent le terrain pour une modélisation future par transfert radiatif hors équilibre thermodynamique (Non-LTE), qui permettra de contraindre plus précisément les paramètres du plasma (température, densité, épaisseur optique) et de mieux comprendre les mécanismes physiques régissant l'évolution des protubérances solaires.