Comment 1 000 étudiants de premier cycle ont aidé à résoudre un mystère persistant sur le soleil

La recherche représente un exploit presque sans précédent en matière d’analyse de données : de 2020 à 2022, la petite armée d’étudiants pour la plupart de première et de deuxième année a examiné la physique de plus de 600 éruptions solaires réelles – de gigantesques éruptions d’énergie provenant de la couronne du soleil. .

Les chercheurs, dont 995 étudiants de premier cycle et des cycles supérieurs, ont publié leurs conclusions le 9 mai dans Le Journal Astrophysique. Les résultats suggèrent que les éruptions solaires pourraient ne pas être responsables de la surchauffe de la couronne solaire, comme le suggère une théorie populaire en astrophysique.

“Nous voulions vraiment souligner à ces étudiants qu’ils faisaient de la recherche scientifique réelle”, a déclaré James Mason, auteur principal de l’étude et astrophysicien au laboratoire de physique appliquée de l’Université Johns Hopkins.

La co-auteure de l’étude, Heather Lewandowski, a accepté, notant que l’étude ne serait pas possible sans les étudiants de premier cycle qui ont contribué environ 56 000 heures de travail au projet.

“Ce fut un effort massif de la part de toutes les personnes impliquées”, a déclaré Lewandowski, professeur de physique et membre du JILA, un institut de recherche conjoint entre CU Boulder et le National Institute of Standards and Technology (NIST).

Physique du feu de camp

L’étude se concentre sur un mystère qui a laissé même les astrophysiciens chevronnés se gratter la tête.

Les observations au télescope suggèrent que la couronne du soleil grésille à des températures de millions de degrés Fahrenheit. La surface du soleil, en revanche, est beaucoup plus froide, n’enregistrant que des milliers de degrés.

“C’est comme se tenir juste devant un feu de camp, et à mesure que vous reculez, il fait beaucoup plus chaud”, a déclaré Mason. “Cela n’a aucun sens.”

Certains scientifiques soupçonnent que des éruptions particulièrement minuscules, ou “nanoflares”, qui sont trop petites pour être repérées même par les télescopes les plus avancés, pourraient en être responsables. Si de tels événements existent, ils peuvent apparaître à travers le soleil de manière presque constante. Et, selon la théorie, ils pourraient s’additionner pour rendre la couronne bien au chaud. Pensez à faire bouillir une casserole d’eau en utilisant des milliers d’allumettes individuelles.

Les résultats des étudiants jettent un doute sur cette théorie, a déclaré Mason, bien qu’il pense qu’il est trop tôt pour le dire avec certitude.

“J’espérais que notre résultat allait être différent. J’ai toujours l’impression que les nanoflares sont un moteur important du chauffage coronal”, a déclaré Mason. “Mais les preuves de notre article suggèrent le contraire. Je suis un scientifique. Je dois aller là où les preuves indiquent.”

Temps de pointe de la pandémie

L’effort a commencé au plus fort de la pandémie de COVID-19.

Au printemps 2020, CU Boulder, comme la plupart des universités du pays, avait déplacé ses cours entièrement en ligne. Lewandowski, cependant, a fait face à une situation difficile: elle enseignait un cours sur la recherche pratique appelé “Physique expérimentale I” cet automne, et elle n’avait rien à faire pour ses étudiants.

“C’était le pic de la pandémie”, a déclaré Lewandowski. “C’est parfois difficile de se souvenir de ce qu’était la vie à l’époque. Ces étudiants étaient très isolés. Ils étaient vraiment stressés.”

Mason, qui était alors chercheur au Laboratoire de physique atmosphérique et spatiale (LASP) de CU Boulder, a proposé une idée.

Le scientifique voulait depuis longtemps creuser dans les mathématiques des éruptions solaires. En particulier, il avait tenté d’examiner un ensemble de données de milliers d’éruptions survenues entre 2011 et 2018 et repérées par des instruments dans l’espace. Ils comprenaient la série de satellites environnementaux opérationnels géostationnaires (GOES) de la National Oceanic and Atmospheric Administration et le spectromètre solaire à rayons X miniature (MinXSS) de la NASA, une mission CubeSat conçue et construite au LASP.

Le problème : il y avait tout simplement trop de fusées éclairantes à examiner par lui-même.

C’est alors que Mason et Lewandowski se sont tournés vers les étudiants pour obtenir de l’aide.

Mason a expliqué que vous pouvez déduire des détails sur le comportement des nanoflares en étudiant la physique des éruptions plus grandes, que les scientifiques ont observées directement pendant des décennies.

Pour ce faire, les étudiants se sont divisés en groupes de trois ou quatre et ont choisi une fusée normale qu’ils voulaient analyser au cours du semestre. Ensuite, grâce à une série de longs calculs, ils ont additionné la quantité de chaleur que chacun de ces événements pouvait déverser dans la couronne solaire.

Leurs calculs ont brossé un tableau clair : la somme des nano-éruptions solaires ne serait probablement pas assez puissante pour chauffer sa couronne à des millions de degrés Fahrenheit.

Expériences éducatives

Ce qui rend la couronne si chaude n’est pas clair. Une théorie concurrente suggère que les ondes du champ magnétique du soleil transportent l’énergie de l’intérieur du soleil vers son atmosphère.

Mais les conclusions réelles de l’étude ne sont pas ses seuls résultats importants. Lewandowski a déclaré que ses étudiants ont pu avoir des opportunités rares pour les scientifiques et les ingénieurs si tôt dans leur carrière – d’apprendre de première main la manière collaborative et souvent désordonnée dont la recherche scientifique fonctionne dans le monde réel.

“Nous entendons encore des étudiants parler de ce cours dans les couloirs”, a-t-elle déclaré. “Nos étudiants ont pu créer une communauté et se soutenir mutuellement à un moment vraiment difficile.”

Les co-auteurs de CU Boulder de la nouvelle étude incluent Alexandra Werth, chercheuse postdoctorale au JILA; Colin West, professeur agrégé d’enseignement en physique; Allison Youngblood, astrophysicienne au LASP maintenant au Goddard Space Flight Center de la NASA ; Donald Woodraska, chef d’équipe des systèmes de données au LASP ; et Courtney Peck, ingénieur logiciel des systèmes de données au LASP et à l’Institut coopératif de recherche en sciences de l’environnement (CIRES).

Le financement de la recherche est venu de la NASA via la mission MinXSS et de la US National Science Foundation via le STROBE Science & Technology Center et le JILA Physics Frontier Center.