Héliosismologie : qu'est-ce que c'est ?

L'héliosismologie est une jeune discipline de l'astrophysique qui a pris naissance à partir d'une découverte concernant le Soleil en 1960. Toute son importance n'a été comprise qu'à partir des années 1970, quand des astrophysiciensastrophysiciens tentant de percer les secrets de notre étoile ont montré qu'ils pouvaient jouer à un jeu comparable à ceux de leurs collègues géophysiciens sur Terre, avec la résolutionrésolution de problèmes inverses avec les mesures du champ de gravité, du champ magnétique mais précisément dans ce cas avec 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 fréquencesfréquences et amplitudes contenues dans les sons que cet instrument peut émettre. Comme tout problème inverse, il s'agit de remonter des données de signaux à leur source et donc de faire l'inverse de la prédiction de signaux à partir des caractéristiques de cette source. La technique est particulièrement efficace avec les séismesséismes qui se produisent sur Terre et est évidemment plus délicate à mettre en œuvre dans le cas du Soleil.

Il est pourtant possible de le faire et il faut pour cela mesurer des décalages spectraux produits par l'effet Dopplereffet Doppler provenant de la matièrematière à la surface du Soleil, qui vibre comme la membrane d'un tambour. C'est en 1960 que des pulsations extrêmement faibles du Soleil d'une période de cinq minutes ont été mises en évidence de cette façon pour la première fois par Robert B. Leighton (dont le nom est associé au fameux cours de son collègue Richard FeynmanRichard Feynman au Caltech). Plus généralement, les vibrationsvibrations que l'on peut détecter 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, comme ont commencé à le comprendre une décennie plus tard Roger Ulrich, Robert Stein et John Leibacher.

Pour mieux le comprendre, il faut savoir que 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.

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

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.

En France, l'un des célèbres pionniers de l'héliosismologie est Éric Fossat, astronomeastronome émérite au Laboratoire Lagrange, de l'Observatoire de la Côte d'Azur (OCA). L'héliosismologie a beaucoup progressé grâce aux d'observations patientes du Soleil rendues possible par 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.

Les méthodes de l'héliosismologie ont pu être étendues aux étoiles faisant naître ce que l'on appelle désormais l'astérosismologie.