ça au moins c'est beaucoup mieux
- Pascal Lambert
- Conquête spatiale : nouvelles batailles Dossier astrophysique
Mais que cache le Soleil sous sa surface ? Pour mettre à nu notre étoile… il suffit de rester à son écoute. En effet sous une apparente tranquillité, le Soleil est tout entier secoué par des vibrations dues à la propagation de sons en son sein. Leur « écoute » constitue le seul et unique outil des astrophysiciens pour explorer le Soleil (et les étoiles) de leur surface au cœur.
Avant de décrire plus en détail la sismologie solaire, arrêtons-nous un instant pour répondre à une question simple et essentielle : pourquoi explorer et comprendre le Soleil ?
Le Soleil est l’étoile la plus proche de nous. C’est la seule que l’on peut observer avec autant de détails. Elle constitue notre pierre de Rosette et joue un rôle clé dans notre connaissance de la vie des étoiles. De plus, par son rôle de source de lumière et de chaleur, le Soleil influence grandement la Terre et son environnement. À cela s’ajoute le cycle solaire dont les variations du rayonnement et des particules émises ont un impact direct, que ce soit sur le climat ou sur nos systèmes de télécommunications. Enfin, le Soleil est un laboratoire unique pour étudier et tester des processus physiques dans des conditions irréalisables sur Terre. Le Soleil est un objet à la fois riche de par les phénomènes qui s’y déroulent et de par ce qu’il peut apporter à notre connaissance de la Terre et de l’Univers.
Photo : giumaiolini/Flickr - Licence Creative Commons
Être à l’écoute
Quelle information a-t-on sur l’intérieur du Soleil en l’observant ? Température de surface, luminosité, spectre d’absorption nous renseignent sur sa composition chimique. Mais restent des informations superficielles… Notre vision du Soleil est donc très vite limitée. Seule la sismologie, l’étude des ondes faisant osciller le Soleil, nous permet de l’éplucher comme un oignon, ouvrant la voie à l’étude de sa structure et de sa dynamique interne.
C’est au début des années soixante que des astronomes solaires mettent en évidence la présence de faibles oscillations de la surface solaire. Ce phénomène fut interprété une décennie plus tard comme la manifestation de la propagation d’ondes sonores dans le Soleil. D’autres observations vinrent confirmer découverte et théorie. Les propriétés de ces oscillations dépendant des variations des conditions physiques au sein du Soleil, la sismologie permet de le sonder de la même manière que les séismes renseignent les géophysiciens sur la structure terrestre.
Pourquoi le Soleil oscille-t-il ? Celui-ci peut être vu comme une gigantesque cavité résonante, comme une cloche. Sous l’action d’une excitation, des ondes sont générées et se propagent. Pour le Soleil, il s’agit essentiellement de modes acoustiques, de sons. La même chose que pour un instrument de musique, une batterie, par exemple, composée de caisses de diamètres différents. Frappée, chacune va résonner à une fréquence différente en fonction de son diamètre, la grosse caisse sonnant plus grave que la caisse claire. C’est la même chose pour une étoile sauf que ce sont des milliers d’ondes sonores à autant de fréquences différentes qui sont excitées simultanément. Avec un diamètre de 1400000km, le Soleil « sonne » à une fréquence très basse plusieurs dizaines d’octaves en dessous du seuil accessible à l’oreille humaine (de 16 à 20000 Hz).
Différents mécanismes - par exemple liés aux variations de l’opacité du plasma influençant le transport de l’énergie ou liés aux violents mouvements convectifs à la surface solaire - excitent différentes ondes. Dans le cas du Soleil les violents mouvements de convection à l’œuvre dans les couches superficielles excitent les oscillations les plus fortes - des ondes acoustiques. On distingue aussi des modes de gravité et des modes « f » (comme des vagues).
L’amplitude des oscillations joue un rôle important dans leur détection et leur mesure, et impose des contraintes plus ou moins sévères sur les conditions d’observation. Les étoiles de type solaire présentant des oscillations de très faibles amplitudes nécessitent des observations continues et de longues durées pour sortir un spectre de bonne qualité, avec une résolution et une précision suffisantes pour estimer les caractéristiques du spectre.
Au cœur du soleil
Une fois les fréquences des oscillations solaires mesurées, l’étape suivante consiste à en extraire au mieux l’information contenue sur la structure et la dynamique solaire. Diverses techniques existent pour analyser et interpréter cette information, le principe restant de comparer l’accord entre observations sismiques et modèles issus des théories.
Cette confrontation entre des modèles et les observations sismiques a permis une grande avancée dans notre compréhension du Soleil, grâce à l’amélioration des modèles utilisés et de leurs prédictions. La structure du Soleil est bien mieux connue et contrainte. Notamment les variations avec la profondeur de grandeurs fondamentales comme la température, la densité, la variation de la composition chimique qui jouent un rôle important dans la manière dont la vie du Soleil évolue (et se finit) … Parmi les contributions de la sismologie, on peut ainsi citer la détermination de la stratification interne du Soleil, l’identification des différentes régions du Soleil et leur transition.
Ou encore des propriétés fondamentales du plasma, cet état de la matière à très haute température, et de sa composition qui ont permis de contraindre l’âge même du Soleil précisément, 4.57 milliards d’années, apportant ainsi de fortes indications sur l’histoire de notre système solaire.
Pas si calme que ça !
L’héliosismologie a aussi révélé la complexité de la dynamique interne du Soleil, jusqu’alors invisible et inconnue. L’observation de la surface solaire montre qu’il tourne plus vite à l’équateur (en 25 jours) que vers les pôles (35 jours) sans que l’on sache comment cette rotation s’établit et évolue avec la profondeur. La sismologie globale a permis de répondre à cette question. Le profil de rotation solaire a ainsi été déduit des observations d’oscillations solaires grâce à des techniques mathématiques adaptées.
Dans la zone convective, la rotation varie principalement en latitude : elle est plus rapide à l’équateur qu’aux pôles, concordant avec la rotation de surface mesurée. Aux moyennes et faibles latitudes, a été découverte une couche superficielle où prend place un cisaillement dû à la rotation différentielle, proposée pour expliquer la migration des taches solaires des latitudes moyennes vers l’équateur. Au contraire la zone radiative connaît une dynamique toute différente puisqu’elle présente une rotation solide : elle tourne d’un seul bloc. La transition entre ces deux régions, dynamiquement très différentes, se fait près de la base de la zone convective au travers d’une couche de fort cisaillement, la tachocline. Cette zone est supposée jouer un rôle important dans le mécanisme de production du champ magnétique solaire via l’effet dynamo dont la compréhension est un des défis actuels de la physique stellaire. La sismologie offre la possibilité de découvrir non seulement les larges mouvements au sein du Soleil mais aussi d’étudier la dynamique au cœur des taches solaires.
Enfin, malgré ces découvertes, on n’a pas encore accès à la dynamique du cœur solaire, pour lequel seule l’utilisation des modes de gravité, non encore découverts sans ambiguïté, est nécessaire. L’accès à cette région centrale amènerait une vue vraiment intégrale du Soleil et une nouvelle avancée dans la compréhension et de l’interaction des nombreux mécanismes déjà découverts.
Et maintenant…
L’exploration sismique du Soleil nous a révélé la complexité de l’intérieur du Soleil et notre vision en a été révolutionnée. De nombreuses et nouvelles questions se posent aux astrophysiciens pour comprendre le fonctionnement du Soleil (et des étoiles) et son action sur la Terre : d’où vient son champ magnétique ? Pourquoi un cycle solaire ? Quelle composition ? Quelle vie et mort pour notre étoile ?
Les nouvelles missions spatiales prévues pour les prochaines années devraient assurer un bel avenir à cette science peu connue et tellement importante pour explorer Soleil et étoiles. Pour succéder à l’observatoire spatial SoHO (et ses plus de 10 ans de réussite et découvertes), on devrait pouvoir compter sur SDO (Nasa), Solar Orbiter (ESA), Picard (CNES), SONG (international), GOLF-NG, Polaris… Restez à l’écoute !