C’est le solstice d’été ! Petit tour de notre étoile

Soleil. Integrated Data and Operation Center Université Paris-Sud, CC BY

Aujourd’hui, jour du solstice d’été, est une bonne occasion pour en savoir un peu plus sur le soleil, notre étoile mystérieuse. L’astre, que nous voyons se lever tous les matins, nous semble immuable, chaque jour semblable. On sait que le soleil brille depuis 4 milliards et demi d’années, qu’il brillera encore aussi longtemps, mais ces temps infiniment longs par rapport à l’échelle humaine ne signifient pas pour autant que notre étoile ne change pas sur des échelles beaucoup plus courtes, à notre échelle humaine. Un changement que nous pouvons observer au quotidien est ces taches sombres qui parsèment à certaines périodes la surface du Soleil.

Taches mystérieuses

Découvertes en Occident par Galilée et sa lunette (et sûrement auparavant par les Chinois), les taches sont restées (et le demeurent encore un peu) mystérieuses jusqu’au début du 20e siècle, quand leur physique a été enfin mieux compris. Ce sont des régions du Soleil où règnent un intense champ magnétique. Ce champ magnétique a pour effet de bloquer l’afflux de chaleur qui vient du cœur du Soleil. Ces zones étant plus froides que le reste de la surface (mais sont toutefois très chaudes – 4500 degrés environ – et brillantes), elles apparaissent relativement plus sombres que la surface environnante 1 000 degrés plus chaude.

Taches solaires, le 7 juillet 2012, révélées par un astronome amateur, Alan Friedman. Alan Friedman, Flickr et NASA

L’origine de ce champ magnétique solaire reste encore aujourd’hui une énigme. Certes, depuis le début du 20e siècle, beaucoup de progrès ont été faits, tant au niveau des observations que de la compréhension théorique. Mais plusieurs grandes questions ne sont pas encore résolues. Par exemple, ce champ magnétique est régénéré par un effet dynamo qui le rend cyclique : tous les onze ans, la surface du Soleil est parsemée d’un maximum de taches sombres, qui vont ensuite disparaître pour laisser le Soleil quasiment vierge de toute tache environ 5 ans et demi plus tard. Elles vont réapparaître progressivement en quelques années pour atteindre de nouveau un autre maximum 5 ans et demi après. Si on sait que la rotation de l’étoile sur elle-même et les mouvements de convection dans les couches internes sont les ingrédients principaux de cet effet dynamo, ces variations cycliques (aussi observées dans d’autres étoiles – mais pas toutes) restent mystérieuses.

Un autre problème que pose le Soleil, très certainement en rapport avec son magnétisme, c’est la température de sa haute atmosphère, la couronne. Alors que la température de la surface est d’environ 5 500 °C, lorsqu’on s’élève au-dessus de cette surface, la température commence par baisser, ce qui n’est pas surprenant puisque l’on s’éloigne de la source de chaleur. Mais soudainement elle remonte de manière brutale pour atteindre le million, voire plusieurs millions de degrés !

L’intérieur solaire. Kelvinsong/Wikimedia, CC BY-SA

Le problème n’est pas de disposer de l’énergie suffisante pour chauffer le plasma solaire (gaz de particules électriquement chargées : électrons, protons, ions) : notre astre en possède en quantité plus que suffisante, sous forme mécanique, par exemple dans les mouvements convectifs qui affleurent à la surface. Le problème est plutôt que cette énergie doit arriver jusqu’à la couronne sans se « déposer » en chemin, donc sans chauffer les couches intermédiaires. Le champ magnétique joue très certainement un rôle dans ce processus, soit en transportant l’énergie par l’intermédiaire d’ondes magnétiques, soit par des éruptions magnétiques qui déposent l’énergie dans la couronne mais pas plus près de la surface. Mais comme pour les cycles du champ magnétique, on ne sait pas décrire précisément le processus physique permettant d’expliquer les températures énormes atteintes dans la couronne.

Et ce n’est pas tout ! Ce Soleil qui peut nous apparaître ennuyeux, chaque jour toujours la boule ronde et lisse, nous cache beaucoup de choses. Pour les voir, il faut changer de regard, et plus précisément changer de longueur d’onde. Notre œil humain perçoit la lumière visible, soit toutes les longueurs d’onde allant du bleu au rouge en passant par toutes les couleurs de l’arc-en-ciel. Mais la lumière, phénomène physique, est bien plus riche : infrarouge, ultra violet, rayons X échappent à nos yeux humains mais pas à des instruments scientifiques adéquats qui nous montrent alors le Soleil sous un tout autre visage.

En ultra-violet, ce n’est plus ce Soleil rond parfois tacheté que nous voyons. C’est un Soleil littéralement chevelu, son atmosphère étant parcourue par des structures aux formes variées et changeantes (à l’échelle d’une journée ou moins). Pourquoi un tel visage ? En physique, sous certaines conditions, on peut relier la température d’un objet à la longueur d’onde de la lumière qu’il émet. La surface à environ 5 500 °Celsius émet dans le domaine de la lumière visible, mais la couronne, beaucoup plus chaude, émet peu dans le visible et beaucoup dans l’ultra-violet et même l’extrême ultra-violet et les rayons X.

Les structures visibles en ultra-violet sont faites de plasma à plusieurs dizaines de milliers de degrés, et celles visibles en extrême ultra-violet et en X sont à un million de degrés ou plus. Les unes et les autres sont en suspension au-dessus de la surface et apparaissent en nombre quand les taches sombres de la surface sont elles aussi nombreuses. La raison en est toujours la même : c’est le champ magnétique qui les façonne et qui les maintient en suspension, et les fera éventuellement disparaître. Car si certaines sont stables pendant des jours et des jours, il peut arriver que le champ magnétique se réorganise avec pour conséquence l’éjection d’une de ces structures (appelées protubérances) dans l’espace interplanétaire.

Météorologie spatiale

À la surface, on assiste à un très fort échauffement du plasma résultant de la transformation d’énergie magnétique en énergie thermique (mais on sait que ces grosses et assez rares éruptions ne sont pas suffisantes pour chauffer la couronne solaire – un grand nombre de beaucoup plus petites éruptions pourrait par contre suffire). Ces phénomènes complexes et imbriqués les uns dans les autres résistent encore à nos efforts pour les décrire finement et encore plus quand il s’agit de prévoir ces éruptions qui constituent de véritables tempêtes pour ce que l’on appelle la météorologie spatiale.

Notre étoile mystérieuse est décidément passionnante à étudier. Puisque c’est dans le domaine des ultra-violets en particulier que le Soleil nous révèle une partie de son vrai visage, des observations depuis le sol terrestre, à l’abri de son atmosphère et donc protégé des ultra-violets ne peuvent suffire. C’est pourquoi des missions spatiales dédiées à l’observation du Soleil sont nécessaires, comme le satellite SoHO (de l’Agence Spatiale européenne, ESA), en orbite depuis 1995, ou les missions Solar Orbiter (ESA) et Parker Solar Probe (NASA) dont les lancements sont prévus dans les deux prochaines années.

Et maintenant… cliquez pour créez votre soleil !

helioviewer.org. http://helioviewer.ias.u-psud.fr/helioviewer/, CC BY