Pourquoi le cœur nucléaire du Soleil tourne-t-il si vite ?

Soleil.

Aura-t-on, un jour, dévoilé tous les secrets de notre astre ? Le Soleil ne cesse de nous étonner. Son atmosphère, par exemple, est étonnamment chaude, ce qui nous permet d’observer une magnifique couronne autour du Soleil lors d'éclipses totales comme celle du 21 août dernier. Autre interrogation : l’intérieur du Soleil, a priori inaccessible à l’observation, n’a pas encore révélé tous les mécanismes de sa rotation, comme nous allons le raconter ici.

Le Soleil est une boule de gaz ionisé, un plasma, et par conséquent ne tourne pas sur lui-même comme un bloc solide. En surface, on observe une rotation surprenante : elle est plus rapide à l’équateur (où la période de rotation est environ de 25 jours) qu’aux pôles (où elle est environ de 35 jours). Malgré l’impossibilité d’observer directement l’intérieur du Soleil, nous savons déjà que la rotation interne est, elle aussi, plus ou moins différentielle selon la profondeur. Comment le sait-on ? En utilisant les mêmes outils que ceux qui nous permettent de connaître l’intérieur de notre planète Terre : ceux de la sismologie. Le Soleil n’étant pas une sphère solide, il n’y a pas de tremblements soudains de Soleil comme ceux que l’on observe sur Terre. Mais que ce soit au niveau de la Terre, du Soleil ou même des autres étoiles, le même phénomène de propagation d’ondes à l’intérieur de l’astre est observé grâce à ses manifestations en surface… et à des instruments diablement précis.

Image reconstituée de l'intérieur du soleil, avec la mission Soho. NASA

Des ondes, en surface et en profondeur

Au sein de notre étoile, ces ondes internes se manifestent sous la forme de « vagues » en surface, dont l’amplitude habituelle est de l’ordre de quelques kilomètres. Quand on sait que le diamètre du Soleil atteint 1 400 000 km, on comprend qu’il faille mettre en œuvre des outils de très grande précision pour déceler ces mouvements.

Ces ondes sont mues par différentes forces : soit par un effet de pression du gaz (on a alors affaire à des ondes acoustiques), soit par la poussée d'Archimède qui, par exemple, fera monter vers la surface une bulle de plasma, plus chaude et donc moins dense que le plasma qui l’entoure. Une autre caractéristique de ces ondes : elles se propagent dans des domaines spécifiques, certaines ne se propagent que dans des couches superficielles, alors que d’autres vont plonger jusqu’au cœur de l’étoile.

Cela est particulièrement intéressant pour la recherche, car chaque onde transporte une information sur les couches dans lesquelles elle s’est propagée (par exemple la température du milieu va affecter sa vitesse de propagation). On pourra donc, en s’appuyant sur des ondes spécifiques dont on sait qu’elles se sont propagées plus ou moins profondément, reconstruire l’intérieur du Soleil en termes de température, ou encore de densité ou de vitesse de rotation du milieu rencontré. En résumé, les conditions physiques internes du Soleil nous deviennent accessibles.

Coupe schématique du soleil avec 2 exemples de propagation de modes d'oscillations. Auteurs, CC BY

Pour accéder à cette information, il faut donc observer les vagues sismiques à la surface du Soleil. C’est ainsi l’objectif assigné à l’instrument GOLF_ (pour global oscillations at low frequencies) à bord de la mission Soho (pour Solar and Heliospheric Observatory). GOLF mesure la vitesse de déplacement de la surface du Soleil, et ce de manière très précise (après accumulation de données et traitement approprié, la précision sera supérieure au centimètre par seconde !).

Lancée fin 1995, la plateforme Soho emportait une douzaine d’instruments dont beaucoup fonctionnent encore. Parmi eux, GOLF bénéficie grandement de ces presque 22 ans d’observations, car la durée va de pair avec la précision des mesures. Ainsi, c’est tout récemment qu’une équipe de scientifiques de GOLF a pu extraire des mesures la vitesse de la rotation du cœur de notre étoile.

Depuis des années, le sondage du cœur de l’étoile restait une entreprise ardue, car les ondes qui s’y propagent sont d’amplitude très faible, donc très difficiles à détecter. Plusieurs annonces de détection avaient été faites par le passé mais n’avaient que peu convaincu du fait de la difficulté de la tâche.

C’est en cherchant autrement, en utilisant astucieusement ces années d’observations, qu’il a finalement été possible de détecter la signature superficielle des ondes profondes, celles qui sont mues par la poussée d’Archimède. L’analyse précise des propriétés de cette signature a permis d’estimer la vitesse de la rotation du centre du Soleil, là où ont lieu les réactions de fusion nucléaire qui fournissent au Soleil son énergie pour briller (et nous réchauffer sur notre petite planète).

Un cœur nucléaire qui tourne

Et il apparaît que ce cœur nucléaire tourne approximativement 4 fois plus vite que la surface ! C’est une rotation différentielle encore plus prononcée que celle qui existe en surface entre pôles et équateur. Par ailleurs, on sait qu’entre la surface et environ 80 % de la distance jusqu’au centre, la rotation varie peu (y compris entre les pôles et l’équateur) : cela signifie donc que dans les 20 % les plus centraux, il existe une forte augmentation de cette vitesse de rotation.

La courbe supérieure est une indication de la rotation des couches profondes vues depuis les couches supérieures où résonnent les modes de pression qui nous servent de détecteurs. La courbe inférieure correspond à une période d'une semaine pour le cœur lui-même, alors que la surface et les couches intermédiaires tournent en près de 27 jours. Auteurs, CC BY

Plusieurs questions se posent alors : pourquoi cette augmentation de vitesse en profondeur ? On sait que les couches externes des étoiles sont freinées au cours de leur vie par l’émission d’un vent stellaire. L’observation des étoiles jeunes montre en effet des objets en rotation rapide en surface (aussi rapide que le cœur du Soleil après 4,5 milliards d’années d’évolution). Mais alors pourquoi ce freinage n’agirait-il pas sur le cœur du Soleil ? Nous savons aussi que rotation et magnétisme sont intimement liés : la rotation d’une étoile est un des constituants majeurs de la génération de champ magnétique.

Des modèles théoriques du Soleil ont été construits avec un champ magnétique ancré dans le cœur ; mais, cela ne règle pas la question : ces modèles prévoient alors un freinage excessif, et la rotation centrale observée reste trop élevée. D’autres modèles, sans magnétisme, prévoient, par contre, que la rotation devrait être plus élevée encore, si sa vitesse était une fidèle relique de la rotation de l’étoile au moment de sa formation… Il va falloir progresser sur ces sujets. De même que sur celui-ci : la grande vitesse de la rotation centrale joue-t-elle un rôle dans la génération du champ magnétique solaire et dans son cycle de 11 ans ?

Après ces 22 ans de recherche, soit deux cycles solaires d’observations, il reste encore beaucoup à faire pour répondre à ces questions. Gageons qu’il ne faudra pas un cycle de plus pour les découvrir !

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