Que ce soit pour les Grecs de l’Antiquité, les Mayas en Amérique centrale ou les pharaons d’Égypte, le Soleil a souvent joué un rôle central dans l’imaginaire et les croyances humaines sur tous les continents. Mais qu’est-ce donc que le Soleil ? Ce bref récit décrira notre étoile et son fonctionnement non pas comme une divinité mais selon une approche rationnelle, celle des sciences modernes et de l’astrophysique en particulier.
Où l’on lève le voile sur la machine Soleil
Contrairement à l’impression quotidienne du lever et du coucher du Soleil, c’est la Terre qui se déplace autour de notre étoile et non l’inverse. Avec sa rotation de 24h sur elle-même, qui crée le phénomène journalier d’apparition et de disparition du Soleil à une localisation géographique (longitude et latitude) donnée, la Terre fait, en plus, une révolution autour du Soleil en environ 365 jours [1]. Ce qui est moins connu, c’est que le Soleil tourne aussi sur lui-même, avec une période de rotation moyenne de 28 jours [2] et autour du centre de notre galaxie, la Voie lactée, en 250 millions d’années. Et oui, nous voyageons à travers notre galaxie en accompagnant notre étoile dans sa ronde cosmique.
Le Soleil est né il y a environ 4.5 milliards d’années au sein d’un nuage de gaz et de poussières, par effondrement gravitationnel [3]. La Figure 1 montre le Soleil dans différentes fréquences lumineuses. Nous remarquons qu’il possède des taches sombres de formes plus ou moins circulaires et fragmentées (panneau droit haut), dont la taille peut atteindre quelques dizaines de milliers de kilomètres de diamètre. Ces taches sont entourées de structures étendues (panneau droit du milieu). Tous ces complexes (taches et réseaux) forment des régions actives brillantes qui sont très visibles sur la grande image de gauche, et sur celle en UV, en bas à droite. Ces complexes sont associés à de grandes boucles de gaz ionisé.
On remarque également, sur la figure de gauche, que la surface du Soleil est comme boursouflée. Ce motif est lié aux mouvements de turbulence (de convection) qui sont perpétuellement en renouvellement et en évolution à la surface du Soleil, et qui chahutent les taches et leurs boucles de gaz. C’est en 1908, que G. E. Hale démontra, par effet dit Zeeman, que ces taches solaires étaient des concentrations de champ magnétique pouvant atteindre des valeurs 3 000 fois supérieures à celle du champ magnétique terrestre. Ces taches sont donc comme d’énormes aimants fluides, et elles sont souvent le lieu de phénomènes dynamiques intenses. Des éruptions, des flashs lumineux intenses et le lancement de grands nuages de gaz ionisé et magnétisé à travers le système solaire sont fréquemment déclenchés par ces structures à la surface de notre étoile. Quelle est donc la source de ce magnétisme solaire, de ces taches solaires et de cette activité permanente ?
Afin de comprendre comment le Soleil crée son champ magnétique et comment celui-ci évolue et s’organise, il faut caractériser la structure et la dynamique internes du Soleil. La Figure 2 illustre schématiquement notre étoile. Celle-ci est composée de trois zones principales : la zone interne dite radiative [4], incluant son cœur en fusion nucléaire ; la zone externe dite convective, celle clairement visible à la surface de notre étoile (voir Figure 1, gauche) ; et son atmosphère étendue. Au sein de la zone convective, qui transporte vers la surface (par une grande diversité de flots ascendants) la chaleur créée bien plus profondément dans le cœur nucléaire par conversion/fusion de l’hydrogène en hélium, les mouvements turbulents de la matière génèrent continument un courant électrique au sein du Soleil qui induit un champ magnétique multi-échelles. Ce mécanisme connu de conversion d’énergie mécanique en énergie magnétique s’appelle la dynamo [5]. Ce champ magnétique est organisé au sein de l’étoile sous la forme de grands rubans de champs magnétiques torsadés dont certains finissent par percer la surface en créant des arches magnétiques et des taches. Le Soleil agit donc comme un gigantesque électro-aimant.
La Figure 2 bis représente la couronne solaire, visible lors des éclipses totales de notre étoile par la Lune [6] (environ une fois par an quelque part sur Terre). On remarque ces volutes et formes géométriques un peu en forme de tour Eiffel, qui correspondent à la structuration magnétique à grandes échelles de notre étoile dans son atmosphère étendue. La couronne a une caractéristique : elle est plus chaude que la surface brillante (ou photosphère) de notre étoile. Ce chauffage coronal est une des grandes énigmes de la physique solaire. Cette couronne solaire s’étend bien au-delà de notre planète et même de l’orbite de la planète naine Pluton, en prenant la forme d’un vent solaire fait de particules atteignant jusqu’à 800 km/s (~ 2,9 millions km/h !). Le Soleil est donc une énorme boule de gaz chaud et ionisé tournant sur elle-même, maintenant en permanence sa turbulence et son magnétisme intense, et produisant un vent magnétisé variable. Malgré ce comportement quasi imprévisible, un certain ordre est observé, et c’est tout l’objectif de la communauté scientifique que de chercher à comprendre comment il s’établit.
Où le cycle solaire n’est pas toujours « à l’heure »
Par exemple, de façon surprenante, notre étoile a cette particularité : elle possède un cycle d’activité ayant une période proche de 11 ans. Son intensité magnétique augmente et diminue selon ce cycle qui, nous le savons grâce à des enregistrements naturels [7], existe depuis au moins 10 000 ans. Sa découverte remonte cependant à moins longtemps (par Heinrich Schwabe vers 1843), même si, en Europe [8], c’est depuis Galilée que l’existence des taches solaires à la surface de notre étoile (voir Figure 1) est connue et qu’elle a commencé à être répertoriée systématiquement dans plusieurs observatoires.
G. E. Hale démontra de nouveau en 1919 que, associée à ce cycle de quasi 11 ans, il y avait une inversion de l’orientation (ou polarité) du champ magnétique contenu dans les taches d’un cycle à l’autre, et que l’orientation du champ magnétique était opposée si l’on comparait l’hémisphère nord au sud. Nous illustrons (Figure 3) ce cycle magnétique par un composite d’images espacées de un an entre 1996 et 2020. On y voit clairement la modulation d’intensité ainsi que l’apparition et la disparition des taches et des régions actives. La raison pour laquelle le Soleil crée un champ magnétique cyclique de presque 11 ans, et pas de 1 an ou de 100 000 ans, est un des autres grands mystères à résoudre.
Cependant, ce cycle de 11 ans n’a rien d’une horloge parfaite. Sa durée varie entre 8 et 14 ans sur les enregistrements naturels dont nous disposons. Une modulation de l’amplitude des cycles de presque 100 ans (le cycle de Gleissberg) est aussi mise en évidence dans les études de la variabilité solaire. Dès lors, il n’est pas simple de prévoir la durée exacte ni la montée d’intensité du cycle, ni la puissance de celui-ci. Or ceci est fondamental pour notre société technologique, car les bouffées d’humeur de notre étoile ont une influence directe sur notre planète et nos divers instruments/appareils électroniques, satellites et infrastructures.
La communauté scientifique a donc développé des modèles de la machine solaire, comme nous l’illustrons dans la Figure 3 bis , et ce afin de mieux cerner le fonctionnement et l’organisation de son activité selon un cycle, ainsi que les manifestations les plus remarquables à la surface sous forme d’éruptions et de taches. Nous représentons une image d’un modèle mathématique et digital de notre étoile, de sa convection et de son magnétisme. Ces simulations servent à guider les observations faites au sol ou dans l’espace avec divers satellites, dont Solar Orbiter, lancé en février 2020, qui, pour la première fois, imagera le système solaire hors du plan des planètes.
Différents modèles plus ou moins réalistes sont mis en œuvre pour mieux cerner chacun des mécanismes opérant dans notre étoile, son atmosphère et son vent de particules étendu au-delà de notre planète. Ces observations, en retour, contraignent les simulations et permettent de discriminer les différentes théories pour expliquer le fonctionnement de notre étoile agitée et comment elle interagit avec notre planète.
Où l’on parle de météorologie mais dans l’espace
En effet, il est important de réaliser que notre planète Terre (ainsi que toutes celles du système solaire) baigne dans l’atmosphère étendue turbulente et magnétisée de notre étoile, autrement dit le vent solaire. Dès lors, le moindre sursaut de celle-ci engendre des perturbations dans le milieu interplanétaire qui ont des répercussions sur Terre.
La Figure 4 représente le système Soleil-Terre [9], et la Figure 4 bis montre une photo d’une aurore boréale en Scandinavie. Que voyons-nous ? Un Soleil magnétique couvert de boucles envoyant un nuage magnétique, de radiations composées de particules chargées (électrons, protons, ions) et de rayonnements à différentes énergies (fréquences).
Lors de sa montée en activité, la cadence des phénomènes éruptifs à la surface de notre étoile et dans son atmosphère augmente d’un facteur d’au moins 10. Cela entraîne un milieu interplanétaire très perturbé, avec un vent solaire fortement modulé en amplitude et très irrégulier, parcouru de nuages de plasmas magnétisés et de particules chargées qui viennent impacter notre planète, sa haute atmosphère et sa magnétosphère [10]. L’espace autour du Soleil étant étendu et le Soleil tournant sur lui-même, tous les nuages et les éruptions ne sont pas dirigés vers notre planète, fort heureusement.
Mais, comme nos satellites dans l’espace proche, nos besoins de communication à grande distance qui utilisent l’ionosphère, notre système de navigation aérienne et nos divers réseaux (électrique, de gaz, internet…) sont directement sensibles à toutes les perturbations électriques et magnétiques intenses venant de l’espace, il faut pouvoir s’en prémunir. Prenant conscience que nous vivons autour d’une étoile active dont il faut anticiper les fureurs et minimiser les conséquences, une nouvelle science pour répondre à ce besoin vient d’émerger : la météorologie de l’espace.
Elle consiste à développer des services opérationnels de prévisions de l’activité solaire en se basant sur tout ce que la communauté scientifique a compris des relations Soleil-Terre et de chacun de ces deux astres depuis plus d’un siècle. C’est un effort international qui a pour but d’anticiper notre astre du jour et de comprendre sa « danse » avec notre belle planète bleue.
Allan Sacha Brun (Dr.) est astrophysicien au CEA (Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives) et à l’Observatoire Paris-Saclay.
[1] À l’origine de nos saisons, à cause de l’inclinaison de 23,6° de la Terre par rapport à son plan d’orbite.
[2] Le Soleil forme lui aussi un angle de 7° par rapport au plan des orbites des planètes de notre système.
[3] La Terre s’est formée dans les vestiges du disque de matières, lui-même reliquat de la nébuleuse de gaz et de poussières originelle.
[4] L’énergie produite au centre, dans le cœur nucléaire, y est transportée par la lumière (les photons).
[5] Dans la vie de tous les jours, nous rencontrons le principe de la dynamo sur les roues de vélo pour allumer l’ampoule du phare. Un aimant tourne sur un axe en contact de la roue et induit un courant électrique dans le bobinage en cuivre qui l’entoure. Il y a conversion d’énergie mécanique en énergie électrique (magnétique).
[6] Il est important de réaliser que c’est plutôt fortuit que notre satellite naturel, la Lune, ait une taille angulaire dans le ciel très proche de celle de notre étoile. La Lune s’éloignant de la Terre, cela ne sera plus le cas dans le futur. On peut aussi voir la couronne solaire en utilisant un coronographe, télescope solaire ayant un occulteur masquant la surface brillante (photosphère) du Soleil.
[7]Carbone 14 dans les arbres millénaires ou fossiles et béryllium 10 dans les carottages glacières.
[8] Les astronomes chinois ont notifié l’existence de taches sombres sur le Soleil bien avant les Européens.
[9] Le schéma n’est pas à l’échelle, pour rappel, la Terre est située à 150 millions de km du Soleil (ou 215 fois le rayon solaire) et son diamètre est 109 fois inférieur à celui du Soleil, donc la Terre est plus de 1,3 million de fois moins volumineuse que le Soleil. Sa masse est 300 000 fois plus petite.
[10] La magnétosphère est un cocon magnétique qui englobe notre planète et qui est représenté figure 4 par la forme en bulbe bleu.
