Les modes de gravité solaires révèlent une rotation rapide de son cœur thermonucléaire

Éric Fossat (Astronome émérite au Laboratoire Lagrange, Observatoire de la Côte d’Azur) et ses collègues (OCA, IAS, CEA et Observatoire de Bordeaux en France, IAC en Espagne et UCLA aux Etats-Unis) ont enfin réussi à mettre en évidence leur signature, qui ne souffre plus d’aucune ambiguïté.
Les modes de gravité solaires révèlent une rotation rapide de son cœur thermonucléaire

Spacecraft: ESA/ATG medialab; Sun: SOHO (ESA & NASA).

L’instrument GOLF à bord de la sonde SOHO, collaboration entre l’ESA et la NASA lancée en 1995, est entièrement dédié à la mesure des oscillations solaires dont les modes de gravité, porteurs des propriétés physiques des couches solaires les plus profondes. La signature des modes de gravité est cependant très faible en surface et plus de 20 ans de recherche n’avaient pas permis de les détecter avec certitude. C’est en regardant « ailleurs et autrement » qu’Éric Fossat (Astronome émérite au Laboratoire Lagrange, Observatoire de la Côte d’Azur) et ses collègues (OCA, IAS, CEA et Observatoire de Bordeaux en France, IAC en Espagne et UCLA aux Etats-Unis) ont enfin réussi à mettre en évidence leur signature, qui ne souffre plus d’aucune ambiguïté. 

L’héliosismologie :

De tous les astres que scrutent les astrophysiciens, il en est un qui est, sans conteste, le mieux connu et le plus important pour le genre humain : notre étoile, le Soleil. Sa stabilité remarquable depuis 4.6 milliards d’années a permis le développement de la vie sur Terre. Elle résulte de l’équilibre quasi parfait de deux forces : la gravitation qui tend à contracter le Soleil et la pression résultant des réactions thermonucléaires qui opèrent en son cœur et qui s’opposent à la contraction gravitationnelle. Depuis plus de 30 ans la sismologie du Soleil, ou héliosismologie, a révolutionné notre connaissance du Soleil en nous permettant de sonder son intérieur. Dans les années 1980, une équipe niçoise pionnière, Eric Fossat et Gérard Grec, permettait l’observation continue du Soleil durant plusieurs jours depuis le pôle sud révélant, pour la première fois, la signature précise de ses modes propres d’oscillation globaux. Ces modes, dont la force de rappel est la pression, sont directement observables en surface. Ils sont enregistrés en permanence par des réseaux au sol et des sondes spatiales qui permettent de s’affranchir de l’alternance jour-nuit. GOLF est un instrument de métrologie qui enregistre, toutes les 10 secondes, un signal intégré des pulsations du Soleil. Les équipes techniques surveillent et assurent quotidiennement l’enregistrement du flot de données tandis que les équipes scientifiques analysent le signal. L’enjeu est considérable : les propriétés des milliers de modes enregistrés ont permis de contraindre très fortement les modèles solaires tant et si bien que, par exemple, c’est la physique des particules qui a dû revoir ses modèles des neutrinos (en leur attribuant une masse) pour expliquer le déficit des neutrinos solaires observés sur Terre. En effet, le modèle de l’intérieur du Soleil est si bien contraint par l’observation qu’il n’était pas possible de le modifier suffisamment pour le rendre compatible avec ce déficit. Ainsi l’héliosismologie a apporté une contribution essentielle au Prix Nobel de physique attribué en 2015 aux auteurs de la découverte de l’oscillation des neutrinos.

Pourtant, malgré ces succès de l’héliosismologie, la dynamique du cœur thermonucléaire restait mal contrainte. Les ondes acoustiques circulent très rapidement dans cette zone et sont de plus très peu sensibles à sa rotation. On sait qu’il existe d’autres ondes possibles, des modes d’oscillation dont la force de rappel est la gravitation, qui y sont au contraire très sensibles. Ainsi la signature de ces modes de gravité est activement recherchée depuis plus de 40 ans.

Mise en évidence d’une rotation rapide du cœur solaire à partir des modes de gravité :

La signature des modes de gravité a été trouvée non pas directement par leur signal de surface mais dans la modulation d’un paramètre extrait des modes de pression, le temps de parcours (environ 4 h 7 minutes) mis par les ondes acoustiques pour faire un aller-retour d’un diamètre solaire en passant par le centre. Les mesures de GOLF y donnent accès en continu depuis 20 ans avec une précision meilleure qu’une minute. Le premier résultat issu de cette détection est la mesure du taux de rotation moyen du cœur thermonucléaire de notre étoile, qui était totalement inconnue : il tourne sur lui-même en une semaine (fréquence de 1644 ± 23 nHz) soit 3.8 fois plus vite que la rotation moyenne des couches extérieures et intermédiaires. Ceci apporte une nouvelle et forte contrainte à la modélisation de l’évolution stellaire et du transport du moment angulaire depuis les premiers stades de la formation du système solaire mais aussi à la physique des particules.

Au-delà de l’avancée qu’il représente pour la physique solaire et l’astrophysique, ce résultat est remarquable à plus d’un titre. D’une part, il a été rendu possible grâce à l’instrument GOLF toujours opérationnel et grâce à une collaboration internationale très large sur plusieurs décennies. D’autre part, GOLF est un instrument spatial de métrologie, résultat de développements expérimentaux initiés dans les laboratoires français pour les campagnes au pôle sud dans les années 1980. Il ne fournit pas d’images spectaculaires pour grand public, parfois utilisées pour justifier la poursuite des programmes de recherche. Les résultats essentiels concernant le cœur du soleil obtenus aujourd’hui soulignent l’importance d’assurer un environnement stable sur le long terme à la recherche fondamentale.

 Fossat modesg

La courbe supérieure montre le profil moyen de 76 modes g dipolaires, avec un pic central légèrement dominant et les deux composantes tesserales symétriques à ±210 nHz dues à la rotation. Il s’agit de la rotation des couches profondes vues depuis les couches supérieures où résonnent les modes de pression qui nous servent de détecteurs.

La courbe inférieure montre la vitesse de rotation sidérale 1.28 ± 0.01 μHz associée aux modes g dipolaires et quadripolaires (degrés 1 et 2) dont la signature a été détectée. Elle correspond à une période d’une semaine pour le cœur lui-même, alors que la surface et les couches intermédiaires des zones convectives et radiatives tournent en près de 27 jours. 

Contact : Eric.Fossat@oca.eu

Référence :

Asymptotic g modes : Evidence for a rapid rotation of the solar core, 2017, Fossat, E., Boumier, P., Corbard, T., Provost, J., Salabert, D., Schmider, F.X., Gabriel, A.H., Grec, G.Renaud, C., Robillot, J.M., Roca-Cortés, T., Turck-Chièze, S., Ulrich, R.K., Lazrek, M., A&A 604, A40 

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