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Le Soleil Les mouvements du Soleil (V) La surface du Soleil est continuellement en mouvement en raison de l'existence de plusieurs composantes dynamiques qui sont par ordre d'importance : - La rotation solaire - La convection cellulaire - Les oscillations - Le courant méridional La vitesse la plus élevée est induite par la rotation du Soleil sur lui-même qui atteint 2 km/s au niveau de l'équateur. Notons que c'est une vitesse de rotation relativement lente quand on sait que la vitesse équatoriale de la Terre est de 0.46 km/s (1670 km/h) et dépasse 250 km/s dans le cas de l'étoile "Topaze", le compagnon B du système double d'Albiréo, b Cygni. Les oscillations solaires sur lesquelles nous nous attarderons un peu plus bas et les mouvements convectifs ont une amplitude d'environ 300 m/s. Enfin le courant méridional est le plus faible avec une vitesse moyenne de 20 m/s. Chacune de ces composantes joue un rôle important et permet aux physiciens solaires de comprendre comment le Soleil entretient son cycle d'activité de 11 ans et génère son champ magnétique. Les données sur la vitesse du Soleil sont actuellement recueillies par les instruments du Groupe Réseau d'Oscillation Global GONG de la NOAO et l'Imageur Doppler Michelson MDI embarqués à bord de la sonde SOHO. Ces deux instruments permettent de déterminer les vitesses des courants solaires en mesurant l'effet Doppler d'une raie du Nickel dans les couches froides de l'atmosphère solaire.
Les vibrations du Soleil Que la surface du Soleil vibre n'est pas en soi une découverte fondamentale car ce phénomène se produit sur la plupart des autres étoiles. Ce qui est plus étrange dans le cas du Soleil c'est la très faible amplitude de ces oscillations. C'est en 1960 que les premiers mouvements d'oscillations ont été détectés à l'intérieur et au-dessus de la granulation solaire. Ils présentaient une périodicité pratiquement fixe de 5 minutes et une vitesse d'environ 0.5 km/s. On en déduit que les couches situées au-dessus de la zone de convection se soulevaient et s'abaissaient par rapport à la position moyenne de la photosphère et de la basse chromosphère. L'excursion type est de l'ordre de 50 à 100 km. Ce mouvement semble être organisé sur quelques milliers de kilomètres et couvre des régions pouvant s'étendre sur 50000 km. Globalement les deux-tiers de la surface solaire subissent ce type de fluctuation à un moment donné. Oui, le Soleil respire ! En 1984 on découvrit que l'étoile la plus proche, Alpha du Centaure, subissait également des oscillations de 5 minutes. Il apparaît aujourd'hui que cette fréquence constitue un extrême dans une période d'oscillation qui atteint au maximum 160 minutes. Depuis les astrophysiciens solaires ont mis en évidence deux principaux modes de vibrations : - une dilatation et une contraction de toute la surface solaire un peu comme une respiration, - une dilatation de certaines zones pendant que d'autres zones se contractent. Ces vibrations peuvent être acoustiques (ondes de pression), à la manière du mode vibratoire d'un tuyau d'orgue ou gravitationnelles, comme les oscillations de la surface de la mer qui, alternativement, monte et descend par rapport au niveau moyen. Ces variations d'amplitude atteignent 8 km.
Jusqu'à présent les mesures sont contradictoires mais elles indiquent que le diamètre du Soleil oscille régulièrement en suivant plusieurs cycles. Le premier dure entre 5 et 60 minutes, le second dure 160 minutes. Les
données du satellite SOHO viennent préciser ces mécanismes.
Il faut en effet chercher l'origine de ces vibrations dans la structure interne du Soleil[18]. Si nous comparons l'astre à un résonateur pour des ondes acoustiques, on peut le comparer par analogie avec un tambour. En effet, nous savons que le Soleil vibre avec une amplitude très faible, les ondes se réfléchissant entre la surface et les niveaux plus profonds. Ces deux régions limites jouent un rôle similaire aux parois d'un tambour ou d'un tuyau d'orgue, entre lesquelles un système d'ondes stationnaires s'établissent. Le son se propage ainsi plus ou moins bien en fonction de la densité du milieu et de sa température, la période des oscillations solaires étant étroitement liée à la température et la densité du plasma. L'analyse de la propagation radiale des oscillations et leur durée d'amortissement permettent d'élaborer des modèles de la structure interne du Soleil et de les comparer aux observations. Les astrophysiciens expliquent ces phénomènes d'oscillations comme étant une manifestation de la turbulence des électrons issus de l'activité nucléaire. Accélérés par le champ magnétique, les électrons peuvent acquérir des vitesses voisines de la moitié de celle de la lumière ! En percutant les couches successives de l'atmosphère solaire ils provoquent des vibrations du plasma, des ondes de choc et des phénomènes acoustiques responsables des "sursauts" radioélectriques qui peuvent durer plusieurs heures. Certaines ondes acoustiques proviennent de la granulation visible au niveau de la photosphère, ces petits tubes de convection d'environ 1000 km de diamètre. Selon Phil Scherrer de l'Université de Stanford et principal chercheur attaché à l'instrument MDI, les ondes sonores analysées ont une période d'environ 5 minutes ce qui est grosso-modo la fréquence d'une granule de la taille de l'état de Californie. La décomposition en harmoniques sphériques En appliquant les lois de la géométrie sphérique et les méthodes de l'expansion en harmoniques sphériques par exemple (nécessaires pour étudier un phénomène oscillant dans l'espace comme on utilise les séries de Fourier dans le plan pour déterminer le spectre de fréquences d'un phénomène), on constate que les modes d'oscillations du Soleil suivent les lois des ondes sonores stationnaires. Celles-ci sont déterminées par 3 paramètres : l, m et n. l donne le nombre total de noeuds circulaires en surface, m le nombre de noeuds circulaires de surface se croisant au pôle (nord ou sud) et n le nombre de noeuds entre la surface solaire et le noyau. La distribution des vitesses à un instant donné est la combinaison de ces millions de modes, les valeurs de l oscillant entre zéro et un bon millier. A consulter : Simulateur d'harmoniques sphériques Applet Java (le chargement est lent)
A mesure que les modèles mathématiques de résonance d'ondes acoustiques et de vibrations gravitationnelles seront affinés, les astrophysiciens seront en mesure de prévoir avec plus de précision les oscillations solaires et d'en déduire la structure interne de notre étoile et son activité de surface. Rappelons qu'une méthode similaire s'applique à l'étude du champ magnétique terrestre. En l'espace
de 20 ans, la sismologie solaire a déjà découvert qu'il existait un lien
entre la composition chimique du Soleil, les mouvements profonds de son atmosphère
et sa température. Si certaines prédictions sont corroborées à plus de 99%
avec les observations, la sismologie solaire ne parvient pas encore à rejoindre
le modèle Standard. Deux raisons expliquent ces difficultés : l'incertitude
sur l'abondance de l'hélium et des éléments lourds et le fait qu'il soit
impossible de déterminer la vitesse de rotation interne du Soleil. Nous savons par exemple que la rotation interne du Soleil est très différente de ce que prévoit le modèle Standard. Celui-ci stipule en effet que la rotation du Soleil devrait augmenter avec la profondeur. Or les données du satellite SOHO modifient la redistribution du moment angulaire à l’intérieur du Soleil. En particulier, il apparaît que le champ magnétique joue un rôle stabilisateur dans la rotation solaire, jusqu'ici sous-estimé. Mais à ce jour la région du cœur du Soleil, sous 0.15 rayons solaires reste encore inexplorée et on ignore si sa rotation s'accélère conformément au modèle Standard. Quant
à l'abondance des éléments, c'est encore plus délicat. Nos
modèles pêchent actuellement par approximation. Si par exemple
l'abondance de l'hélium est surestimée d'un facteur 2, le flux de neutrinos[19]
est conforme aux calculs mais la période des oscillations est trop élevée. Si
l'abondance est surestimée d'un facteur 4, les périodes d'oscillations sont
conformes mais le flux de neutrinos est cette fois trop élevé. Si l'on
souhaite conserver la faible abondance des éléments lourds (0.2%), le flux de
neutrinos est trop faible et le modèle hélioséismique s'écroule. Enfin, si la
vitesse de rotation interne du Soleil est 30 fois supérieur à sa vitesse
superficielle, on retrouve les valeurs du flux de neutrinos mais cette fois la
pression et la température interne sont trop faibles. Décidément, il est
encore difficile de comprendre la physique solaire. Prochain chapitre
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