Le paradoxe de la polarisation solaire enfin résolu par une théorie française

Publié par Isabelle le 01/09/2021 à 13:00
Source: Observatoire de Paris
Le paradoxe de la polarisation de la raie du sodium provenant du Soleil, qui datait de 1997, a été résolu. Le paradoxe provenait d'une observation de Stenflo & Keller en 1996, d'une polarisation persistante, alors que la théorie prévoyait le contraire. Les tentatives précédentes pour l'expliquer nécessitaient soit une réduction extrême du champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux...) du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile...) (ce que les physiciens solaires jugeaient improbable), soit des modifications de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) des interactions atome-photon (que les physiciens atomiques n'ont pas observés). Un article récent de Alsina-Ballester et al (2021) vient de résoudre le paradoxe (Un paradoxe est une proposition qui contient ou semble contenir une contradiction logique, ou un...), par des nouvelles observations, et leur interprétation avec une théorie atomique (La théorie atomique est une théorie, publiée à la fin du XVIIIe siècle, sur la nature de...) plus sophistiquée, prenant en compte des interactions complexes, auparavant négligées. La théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) de redistribution du rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) polarisé en présence de champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique de Véronique Bommier a été créée en 1997, pour des atomes à deux niveaux, et généralisée à des atomes multi-niveaux en 2017.


En noir: taux de polarisation linéaire observé près du bord du disque (Le mot disque est employé, aussi bien en géométrie que dans la vie courante, pour désigner une...) solaire dans la raie (Raie [ʀɛ] est un nom vernaculaire ambigu qui correspond en français à de...) D1 du sodium (Le sodium est un élément chimique, de symbole Na et de numéro atomique 11. C'est un...).
En bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs...): taux de polarisation linéaire calculé par un modèle de transfert de rayonnement (Le transfert de rayonnement est le domaine de la physique décrivant l'interaction du...) intégrant la théorie de Bommier (2017).
La présence d'un champ magnétique de 15 G est intégrée. L'excellent accord théorie-observation prouve, en soi, que ce profil est le bon.
Republié de E. Alsina Ballester, L. Belluzzi & J. Trujillo Bueno, 2021, Phys. Rev. Letters, 127, 081101.

La mesure du champ magnétique de la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) solaire se fait à partir de l'analyse de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) que l'on en reçoit, même par satellite (Satellite peut faire référence à :). Ce champ magnétique sert de guide aux particules chargées et énergétiques, notamment lorsqu'elles sont éjectées vers la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...). Améliorer les mesures est important pour améliorer les prévisions.

La lumière est absorbée puis réémise par les atomes de la surface, et c'est au moment où elle est "dans" les atomes, que le champ magnétique lui imprime sa marque, son orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil...), sa grandeur aussi, en influençant et en orientant le mouvement des électrons de l'atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...). Cette orientation est détectée par l'analyse de la polarisation de la lumière reçue. Ce phénomène est la diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de...), et il est important, pour l'évaluation quantitative, de savoir si cette diffusion a été "cohérente en fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...)" (entre le photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction...) absorbé et celui réémis), ou "incohérente en fréquence" (sans relation entre les deux). Ces deux types de diffusion sont possibles et coexistent.

Véronique Bommier a été la première à développer un formalisme quantitatif de la contribution de ces deux types de diffusions et de leur poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la...) respectif (ce que l'on appelle "redistribution"), en présence de champ magnétique, en se basant sur la théorie de l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) atome-rayonnement dans le formalisme de la matrice densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) atomique enseignée par le Pr Claude Cohen-Tannoudji (Claude Cohen-Tannoudji (1er avril 1933 à Constantine, Algérie française) est un...) (Médaille d'or du CNRS 1996, prix Nobel 1997). Véronique Bommier y a inclus la diffusion cohérente, très importante en Astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche...), en repoussant puis éliminant l'approximation (Une approximation est une représentation grossière c'est-à-dire manquant de...) de Markov (appelée aussi "approximation de mémoire (D'une manière générale, la mémoire est le stockage de l'information. C'est aussi le souvenir...) courte" par C. Cohen-Tannoudji) dans la description théorique du phénomène de diffusion des photons par les atomes.

Elle a fait une première publication de ce travail en 1997, qui fut largement utilisée (118 citations), mais concerne des atomes relativement simples. Ce n'est qu'en 2016 qu'elle a terminé la généralisation (La généralisation est un procédé qui consiste à abstraire un ensemble de...) aux atomes plus complexes, comme le sodium ici concerné (à cause de sa structure hyperfine). En 2017, elle en a publié une version adaptée aux codes de transfert de rayonnement utilisés par certains auteurs, qui l'ont maintenant effectivement intégrée dans leur code, et ont alors pu obtenir un excellent accord (cf Figure) entre leur observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) et leur modèle théorique, en tenant compte de l'effet du champ magnétique.

Il s'agit de la polarisation linéaire de la raie D1 du sodium (5896 Å) observée sur le disque solaire mais près du bord. Cette polarisation linéaire est formée par la diffusion, et le champ magnétique peut la modifier. Or, il y avait un débat (Un débat est une discussion (constructive) sur un sujet, précis ou de fond, annoncé à l'avance,...) international depuis 1997 à propos de la polarisation de cette raie, parce que Jan Olof Stenflo et Christoph Keller lui avaient observé une polarisation linéaire "nette (Le terme Nette est un nom vernaculaire attribué en français à plusieurs espèces...)" (c'est-à-dire non-nulle lorsqu'on l'intègre sur tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) le profil de la raie), tandis que la Mécanique Quantique (La mécanique quantique est la branche de la physique qui a pour but d'étudier et de...) (et la théorie de V. Bommier) ne le prévoit pas. Dans un article à Nature en 1998, Egidio Landi Degl'Innocenti (La marque italienne Innocenti fut surtout connue pour sa Mini. Elle fut rachetée par Fiat en 1989.) avait attribué cette polarisation "nette" à l'existence d'une "polarisation atomique", mais celle-ci était incompatible avec les champs magnétiques solaires tels qu'on les connaît, d'où le terme de "paradoxe" attribué à cette observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) et à ce problème.

Ernest Alsina Ballester, Luca Belluzzi et Javier Trujillo Bueno ont d'une part refait l'observation, et d'autre part calculé la courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du...) théorique en utilisant la théorie de V. Bommier (2017). L'excellent accord théorie-observation qu'ils obtiennent (cf Figure) prouve, en soi, que ce profil, qui ne montre aucune polarisation "nette", est le bon, ce qui clôt le paradoxe. Cette polarisation "nette" observée par Stenflo & Keller à Kitt Peak, et seulement là, a été attribuée par V. Bommier (2020) à un effet instrumental de ce télescope (Un télescope, (du grec tele signifiant « loin » et skopein signifiant...).

Références:
V. Bommier "Master equation theory applied to the redistribution of polarized radiation (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se...) in the weak radiation field limit. V. The two-term atom (L'appellation Atom se réfère à deux standards liés.)", Astron. Astrophys., 2017, 607, A50
E. Alsina Ballester, L. Belluzzi, J. Trujillo Bueno, "Solving the Paradox of the Solar Sodium D1 Line Polarization", PhysRevLett., 2021, 127.081101

Contact:
Veronique Bommier - LESIA, Observatoire de Paris (L'Observatoire de Paris est né du projet, en 1667, de créer un observatoire astronomique...) - PSL, CNR
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