De nouvelles recherches de l’Université du Colorado à Boulder pourraient aider les scientifiques à mieux comprendre les phénomènes à l’origine des « taches solaires ».
Le soleil a longtemps intrigué les scientifiques. Cependant, cette sphère de surchauffe plasma—l’étoile la plus proche de la Terre—est également notoirement difficile à étudier, laissant de nombreuses questions sans réponse.
Maintenant, les chercheurs ont une réponse possible à un phénomène solaire longtemps déroutant appelé « l’énigme de la convection ». Les résultats, récemment publiés dans le Actes de l’Académie nationale des sciences, offrent une nouvelle fenêtre sur le mystérieux fonctionnement interne du soleil et peuvent avoir des implications futures pour la compréhension de la météo spatiale, qui affecte tout, des satellites au réseau électrique.
Le soleil a plusieurs régions distinctes. L’une d’elles, la zone convective, s’étend sur environ 200 000 kilomètres (200 mégamètres) et constitue les 30 % externes du soleil. L’énergie générée par la fusion nucléaire dans le noyau du soleil se déplace vers la surface. Lorsqu’elle atteint la zone convective, l’énergie fait tourbillonner le fluide en tourbillons et en spirales appelés flux convectifs.
Une éjection de masse coronale éclate de notre soleil le 31 août 2012. Crédit : NASA/GSFC/SDO
Les scientifiques pensaient que le plus grand de ces tourbillons devait avoir à peu près la même taille que la zone convective elle-même – 200 000 kilomètres – et ont commencé à rechercher ces soi-disant « cellules géantes ». Malgré leurs recherches pendant de nombreuses années, les chercheurs n’ont pas été en mesure d’observer des flux convectifs aussi importants, d’où l’énigme.
« Pourquoi les cellules géantes classiques ne sont-elles pas observées ? Et pourquoi et comment les observations semblent-elles contredire les modèles numériques ? a déclaré Keith Julien, professeur à l’Université du Colorado à Boulder et directeur du département de mathématiques appliquées et l’un des co-auteurs de l’étude.
Keith Julien
De nouvelles recherches de Geoffrey Vasil de l’Université de Sydney (PhDAstroPhys/Atmos’08), Nicholas Featherstone du Southwest Research Institute (PhDAstroPhys’10) et Julien suggèrent que la rotation du soleil est plus importante que les chercheurs ne le pensaient auparavant. Une forte rotation crée des flux convectifs allongés de forme ovale qui mesurent en réalité 30 000 kilomètres (30 mégamètres) et non 200 000.
Ils ont fait cette prédiction théorique en s’appuyant sur des équations et des théories multidisciplinaires utilisées dans les domaines de la physique, des mathématiques, de la météorologie et de l’océanographie.
“En substance, il n’y a pas de cellules géantes”, a déclaré Julien. « Cette croyance ou cette chasse de longue date pour eux a peut-être été un peu un faux-fuyant. La rotation donne une structure d’écoulement de fluide différente, atteignant un maximum à ces échelles de 30 mégamètres.
Ces découvertes sont importantes car elles offrent une solution à un problème scientifique qui existe depuis des décennies, a déclaré Julien.
Mais au-delà de cela, en apprendre davantage sur la zone de convection du soleil peut aider les scientifiques à mieux comprendre le champ magnétique du soleil, un phénomène appelé dynamo solaire global.
“Le champ magnétique dynamo global du soleil est responsable de la météo spatiale, et c’est vraiment un gros problème”, a déclaré Julien. “Nous ne pourrons pas dire grand-chose sur la météo spatiale sans mieux comprendre le fonctionnement de la dynamo.”
Le champ magnétique du soleil intéresse particulièrement les chercheurs, les gouvernements et les entreprises car il affecte la traînée des satellites et de la Station spatiale internationale.
Il a également le potentiel de causer des dommages catastrophiques. Les champs magnétiques du soleil émergent à sa surface sous la forme de taches solaires, qui parfois éclatent et projettent du plasma radioactif vers la Terre.
“Le champ magnétique dynamo global du soleil est responsable de la météo spatiale, et c’est vraiment un gros problème.” – Keith Julien
“Un grand événement solaire pourrait facilement anéantir 10 000 milliards de dollars d’infrastructures mondiales en quelques jours”, a déclaré Vasil. « Et nous n’aurions que quelques heures pour faire quelque chose. Cela pourrait faire paraître petite en comparaison la pandémie qui a actuellement une emprise sur le monde. Un grand événement solaire pourrait signifier aucune communication ou électricité à l’échelle mondiale. C’est un risque énorme, et presque personne ne le sait.
Ces découvertes ne répondent pas directement à nos questions sur le champ magnétique du soleil, mais elles constituent une étape importante dans le cheminement vers la compréhension de la dynamo solaire mondiale sur laquelle d’autres chercheurs peuvent s’appuyer.
A court terme, ces résultats offrent une nouvelle contrainte pour les chercheurs effectuant des simulations numériques du soleil, qui peuvent désormais mieux comprendre les enjeux de la simulation de la rotation.
“Jusqu’à présent, les modèles de dynamo n’ont pas correctement pris en compte la rotation”, a déclaré Vasil.
Les chercheurs espèrent qu’eux-mêmes ou d’autres scientifiques pourront confirmer mathématiquement leurs prédictions et finalement observer les flux convectifs dans le soleil.
“Pour de nombreuses raisons, il est difficile de mesurer les types de flux que nous prédisons à l’intérieur”, a déclaré Vasil. « Une partie de la raison est qu’il y a beaucoup de bruit à la surface qui se trouve être à peu près de la même taille que ce à quoi nous nous attendons plus en profondeur. Nous pensons que ce n’est qu’une coïncidence. Mais cela signifie que les observateurs auront besoin de beaucoup plus de données pour voir ce qui se passe. »
Plus généralement, les découvertes nous rapprochent un peu plus de la démystification du soleil, qui soutient notre existence et détient de nombreux indices sur l’évolution de l’univers lui-même.
« Le soleil donne la vie, mais il a aussi de nombreuses curiosités », a déclaré Julien. « Notre univers est constitué d’étoiles et nous savons que les étoiles sont également associées à des systèmes planétaires. Par conséquent, comprendre notre système planétaire le plus proche et notre étoile la plus proche est assez important d’un point de vue scientifique général. D’où venons-nous ? Comment on est venu ici?”
Référence : « Rotation suppresses giant-scale solar convection » par Geoffrey M. Vasil, Keith Julien et Nicholas A. Featherstone, 29 juillet 2021, Actes de l’Académie nationale des sciences.
DOI : 10.1073/pnas.2022518118
