La mesure du champ magnétique de la surface solaire se fait à partir de l’analyse de la lumière que l’on en reçoit, même par satellite. Ce champ magnétique sert de guide aux particules chargées et énergétiques, notamment lorsqu’elles sont éjectées vers la Terre. 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, sa grandeur aussi, en influençant et en orientant le mouvement des électrons de l’atome. Cette orientation est détectée par l’analyse de la polarisation de la lumière reçue. Ce phénomène est la diffusion, et il est important, pour l’évaluation quantitative, de savoir si cette diffusion a été "cohérente en fréquence" (entre le photon 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 respectif (ce que l’on appelle "redistribution"), en présence de champ magnétique, en se basant sur la théorie de l’interaction atome-rayonnement dans le formalisme de la matrice densité atomique enseignée par le Pr Claude Cohen-Tannoudji (Médaille d’or du CNRS 1996, prix Nobel 1997). Véronique Bommier y a inclus la diffusion cohérente, très importante en Astrophysique, en repoussant puis éliminant l’approximation de Markov (appelée aussi "approximation de mémoire 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 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 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 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" (c’est-à-dire non-nulle lorsqu’on l’intègre sur tout le profil de la raie), tandis que la Mécanique Quantique (et la théorie de V. Bommier) ne le prévoit pas. Dans un article à Nature en 1998, Egidio Landi Degl’Innocenti 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 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 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.
Références
V. Bommier « Master equation theory applied to the redistribution of polarized radiation in the weak radiation field limit. V. The two-term atom »,
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