Modes de résonance : découverte des oscillations à longue période du soleil

Mode Rossby équatorial

La vitesse nord-sud associée au mode d’oscillation à propagation rétrograde. A gauche : observations à l’aide de l’instrument SDO/HMI. A droite : modèle numérique. Crédit : MPS/ZC Liang

Dix ans de données de NasaL’Observatoire de la dynamique solaire de , combiné à des modèles numériques, révèle les notes musicales graves et profondes du Soleil.

Ces mouvements ont été mesurés en analysant 10 ans d’observations du Solar Dynamics Observatory (SDO) de la NASA. À l’aide de modèles informatiques, les scientifiques ont montré que les oscillations récemment découvertes sont des modes de résonance et doivent leur existence à la rotation différentielle du Soleil. Les oscillations aideront à établir de nouvelles façons de sonder l’intérieur du Soleil et d’obtenir des informations sur la structure interne et la dynamique de notre étoile. Les scientifiques décrivent leurs découvertes dans la revue Astronomie & Astrophysique.

Dans les années 1960, les notes musicales aiguës du Soleil ont été découvertes : Le Soleil sonne comme une cloche. Des millions de modes d’oscillations acoustiques avec de courtes périodes, près de 5 minutes, sont excités par la turbulence convective près de la surface solaire et sont piégés à l’intérieur du soleil. Ces oscillations de 5 minutes ont été observées en continu par des télescopes au sol et des observatoires spatiaux depuis le milieu des années 1990 et ont été utilisées avec beaucoup de succès par les héliosismologues pour en savoir plus sur la structure interne et la dynamique de notre étoile – tout comme les sismologues découvrent l’intérieur de la Terre en étudiant les tremblements de terre. L’un des triomphes de l’héliosismologie est d’avoir cartographié la rotation du Soleil en fonction de la profondeur et de la latitude (la rotation différentielle solaire).

Mode inertiel haute latitude

La vitesse est-ouest associée au mode d’oscillation à propagation rétrograde. A gauche : observations à l’aide de l’instrument SDO/HMI. A droite : modèle numérique. Crédit : MPS/ZC Liang

En plus des oscillations de 5 minutes, des oscillations de période beaucoup plus longue étaient prévues dans les étoiles il y a plus de 40 ans, mais n’avaient pas été identifiées sur le Soleil jusqu’à présent. « Les oscillations à longue période dépendent de la rotation du Soleil ; ils ne sont pas de nature acoustique », précise Laurent Gizon, auteur principal de la nouvelle étude et directeur à la MPS. « La détection des oscillations à longue période du Soleil nécessite des mesures des mouvements horizontaux à la surface du Soleil sur de nombreuses années. Les observations continues de l’imageur héliosismique et magnétique (IHM) à bord du SDO sont parfaites à cet effet. »

L’équipe a observé plusieurs dizaines de modes d’oscillation, chacun avec sa propre période d’oscillation et sa propre dépendance spatiale. Certains modes d’oscillation ont une vitesse maximale aux pôles, certains aux latitudes moyennes et d’autres près de l’équateur. Les modes avec une vitesse maximale près de l’équateur sont les modes de Rossby, que l’équipe avait déjà identifiés en 2018. à quelle vitesse une personne marche », explique Zhi-Chao Liang de MPS. Kiran Jain de NSO, avec B. Lekshmi et Bastian Proxauf de MPS, ont confirmé les résultats avec les données du Global Oscillation Network Group (GONG), un réseau de six observatoires solaires aux États-Unis, en Australie, en Inde, en Espagne et au Chili.

Mode inertiel à latitude critique

La vitesse est-ouest associée au mode d’oscillation à propagation rétrograde. A gauche : observations à l’aide de l’instrument SDO/HMI. A droite : modèle numérique. Crédit : MPS/ZC Liang

Pour identifier la nature de ces oscillations, l’équipe a comparé les données d’observation à des modèles informatiques. « Les modèles nous permettent de regarder à l’intérieur du Soleil et de déterminer la structure tridimensionnelle complète des oscillations », explique Yuto Bekki, étudiant diplômé de MPS. Pour obtenir les oscillations du modèle, l’équipe a commencé avec un modèle de la structure du Soleil et de la rotation différentielle déduite de l’héliosismologie. De plus, la force de la conduite convective dans les couches supérieures et l’amplitude des mouvements turbulents sont prises en compte dans le modèle. Les oscillations libres du modèle sont trouvées en considérant des perturbations de faible amplitude du modèle solaire. Les vitesses correspondantes à la surface correspondent bien aux oscillations observées et ont permis à l’équipe d’identifier les modes.

« Toutes ces nouvelles oscillations que nous observons sur le Soleil sont fortement affectées par la rotation différentielle du Soleil », explique Damien Fournier, scientifique de MPS. La dépendance de la rotation solaire avec la latitude détermine où les modes ont des amplitudes maximales. « Les oscillations sont également sensibles aux propriétés de l’intérieur du Soleil : en particulier à la force des mouvements turbulents et à la viscosité associée du milieu solaire, ainsi qu’à la force de l’entraînement convectif », explique Robert Cameron de MPS. Cette sensibilité est forte à la base de la zone de convection, à environ deux cent mille kilomètres sous la surface solaire. « Tout comme nous utilisons les oscillations acoustiques pour connaître la vitesse du son dans l’intérieur solaire avec l’héliosismologie, nous pouvons utiliser les oscillations à longue période pour connaître les processus turbulents », ajoute-t-il.

« La découverte d’un nouveau type d’oscillations solaires est très excitante car elle nous permet d’en déduire des propriétés, telles que la force de l’entraînement convectif, qui contrôlent finalement la dynamo solaire », explique Laurent Gizon. Le potentiel de diagnostic des modes longue période sera pleinement exploité dans les années à venir à l’aide d’un nouveau modèle informatique exascale développé dans le cadre du projet WHOLESUN, soutenu par une subvention Synergy 2018 du Conseil européen de la recherche.

Référence : « Solar inertial modes : Observations, identification, and diagnostic promise » par Laurent Gizon, Robert H. Cameron, Yuto Bekki, Aaron C. Birch, Richard S. Bogart, Allan Sacha Brun, Cilia Damiani, Damien Fournier, Laura Hyest, Kiran Jain, B. Lekshmi, Zhi-Chao Liang et Bastian Proxauf, 6 août 2021, Astronomie & Astrophysique.
DOI : 10.1051/0004-6361/202141462

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