Le cœur du Soleil tourne 4 fois plus vite que sa surface

Depuis des décennies, les astrophysiciensastrophysiciens tentent de percer les secrets du Soleil en jouant à un jeu comparable à celui de leurs collègues géophysiciens sur Terre : la résolutionrésolution de problèmes inverses avec les mesures du champ de gravité, du champ magnétique et... des ondes sismiquesondes sismiques. L'idée commune est simple à comprendre. Elle équivaut à reconstituer la taille, la forme et la composition d'un instrument de musique en analysant de plus en plus précisément, et complètement, l'ensemble des fréquences et amplitudes contenues dans les sons que cet instrument peut émettre. La technique est particulièrement efficace avec les séismesséismes qui se produisent sur Terre, mais elle est évidemment plus délicate à mettre en œuvre dans le cas du Soleil.

Il est pourtant possible de faire de l'héliosismologie. Il faut pour cela mesurer des décalages spectraux produits par l'effet Doppler et provenant de la matièrematière à la surface du Soleil, qui vibre comme la membrane d'un tambour. Ces vibrationsvibrations sont la manifestation des modes de deux types d'ondes, qui sont elles-mêmes produites, notamment, par les mouvementsmouvements turbulents du plasma solaire dans sa zone convective.

Le Soleil possède une structure que l'on peut diviser en deux et qui correspond à deux modes de transfert de la chaleurchaleur dans la fournaise solaire. Il y a :

• une zone dite « radiative », qui occupe environ 70 % du rayon du Soleil depuis son centre ;
• une zone dite « convective », qui enveloppe la première.

Les ondes de gravité (à ne pas confondre avec les ondes gravitationnellesondes gravitationnelles qui sont des vibrations de l'espace-tempsespace-temps) se propagent essentiellement dans la zone radiative alors que les ondes acoustiquesondes acoustiques se propagent dans les deux zones du Soleil.

Les ondes de gravité, clé de la structure interne du Soleil

Comme leur nom l'indique, les ondes de gravité correspondent à des mouvements de la matière qui oscille en reprenant sa position d'équilibre sous l'effet de la force de gravité (via la poussée d'Archimèdepoussée d'Archimède), alors que pour les ondes acoustiques, la force de rappel est la pressionpression. Les ondes acoustiques sont de mieux en mieux mesurées et étudiées depuis quelques décennies, mais les progrès sont plus lents en ce qui concerne les ondes de gravité.

Les résultats obtenus ont toutefois été spectaculaires. En effet, en posant de sérieuses contraintes sur les modèles de structure interne du Soleil (en particulier ceux expliquant la genèse de son énergieénergie grâce à des réactions thermonucléaires dans son cœur), il a été possible de les confirmer. Ce faisant, on ne pouvait plus expliquer la fameuse énigme du déficit des neutrinos solaires par une mauvaise compréhension de ce qui se passait dans ce cœur. Le recours à une nouvelle physiquephysique, en l'occurrence le mécanisme d'oscillation des neutrinos, devenait inévitable et les programmes de recherche qui allaient conduire à la découverte de ce mécanisme devenaient de plus en plus impératifs. Le Soleil était donc bien plus qu'un laboratoire de physique nucléaire et des plasmas, mais aussi un laboratoire d'astroparticulesastroparticules.

Aujourd'hui, une équipe internationale d'astrophysiciens, qui compte dans ses rangs l'un des célèbres pionniers de l'héliosismologiehéliosismologie, Éric Fossat, astronomeastronome émérite au Laboratoire Lagrange, de l'Observatoire de la Côte d'Azur (OCA), vient de publier un article dans lequel elle annonce qu'une détection désormais solidesolide et sans ambiguïté des ondes de gravité du Soleil a enfin été réalisée. Les chercheurs (OCA, IAS, CEA et Observatoire de Bordeaux en France, IAC en Espagne et UCLA aux États-Unis) sont parvenus à ce résultat en utilisant plus de seize années d'observations patientes du Soleil grâce à l'instrument Golf (Global Oscillations at Low Frequencies) équipant le satellite Soho (Solar and Heliospheric Observatory), une mission spatiale conjointe de l'ESAESA et de la NasaNasa lancée sur orbiteorbite en 1995.

Ce schéma montre les différentes couches de l'atmosphère et de l'intérieur du Soleil. Les ondes acoustiques (p-modes, en anglais sur le schéma) peuvent se propager dans tout le Soleil mais elles prennent naissance, et se trouvent surtout, dans la zone convective (Convection zone) et ses mouvements turbulents. Les ondes de gravité (g-modes) sont confinées pour l'essentiel dans la zone radiative (Radiative zone) et le cœur du Soleil (Core). Les ondes de gravité ont été fermement observées et mesurées indirectement par l'effet de modulation qu'elles produisent sur le temps de parcours mis par les ondes acoustiques pour effectuer l’aller-retour le long du diamètre solaire en passant par son centre (environ 4 h 7 mn). © CEA

La rotation du Soleil, un fossile de la genèse du Système solaire

Golf a, en plus, fourni un résultat étonnant. Les ondes acoustiques ne sont pas sensibles à la rotation du Soleil, à l'inverse des ondes de gravité. La qualité et la quantité des données concernant désormais ces ondes ont permis de découvrir (à vrai dire confirmer, car on s'en doutait déjà depuis 2007) que le Soleil manifestait un phénomène de rotation différentiel spectaculaire : avec une période d'une semaine environ, son cœur tourne presque quatre fois plus vite que sa surface (la rotation moyenne des couches externes du Soleil est de 27 jours).

Cela va certainement interpeller les spécialistes de la cosmogonie du Système solaireSystème solaire. En effet, cela pose une nouvelle contrainte sur les modèles de la formation et de l'évolution du proto-Soleil ainsi qu'en ce qui concerne ses interactions avec le disque protoplanétairedisque protoplanétaire survenues il y a plus de 4,5 milliards d'années. La rotation du Soleil et des planètes est un fossilefossile du moment cinétiquemoment cinétique de la nébuleusenébuleuse primitive qui leur a donné naissance. Une applicationapplication simple du principe de conservation du moment cinétique explique la formation d'un disque et pourquoi le Soleil et les planètes tournent dans le même sens.

Toutefois, elle laisse dans l'ombre le fait que les planètes portent l'essentiel du moment cinétique actuel du Système solaire, alors que c'est le Soleil qui devrait être en rotation rapide. Des mécanismes encore mal compris, mais faisant très probablement appel à la magnétohydrodynamique et à la formation d'un jet stellaire, sont probablement la clé du problème. La rotation différentielle du Soleil nouvellement découverte pourrait nous aider à résoudre cette énigme.