Clefs n°58 Automne 2009
Clefs n°58 Automne 2009
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°58 de Automne 2009

  • Périodicité : annuel

  • Editeur : CEA

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 168

  • Taille du fichier PDF : 7,3 Mo

  • Dans ce numéro : dans les secrets de l'Univers.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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14 SMM/IAC L’astrophysique et l’exploration de l’Univers Une aurore boréale. Ce phénomène est dû à la pénétration dans la haute atmosphère terrestre d’un flux de particules en provenance du Soleil. Sonder l'intérieur des étoiles Vue d'artiste de l'intérieur du Soleil montrant les trajectoires des modes de gravité pendant leur propagation dans la zone radiative, partie la plus interne du Soleil (70% en rayon). CLEFS CEA - N°58 - AUTOMNE 2009 Jusqu'à la deuxième moitié du 20 e siècle, les astronomes ne disposaient d'aucune donnée expérimentale provenant directement de l'intérieur des étoiles. Ils devaient se contenter de paramètres globaux ou de surface : rayon, masse, luminosité, spectre électromagnétique… La détection des neutrinos solaires, porteurs d'une information sur les conditions thermodynamiques régnant au centre du Soleil, a repoussé quelque peu ces limites. Les astrophysiciens restaient cependant sur leur faim : comment « pénétrer » à l'intérieur du Soleil – et des étoiles – pour connaître les phénomènes physiques se déroulant à toutes les profondeurs ? Une nouvelle approche expérimentale, l'astérosismologie, a apporté une réponse. Elle s'inspire de la sismologie terrestre, qui analyse la propagation souterraine des ondes acoustiques générées par les tremblements de terre ou des explosions contrôlées. De la même manière, l'astérosismologie – dite héliosismologie lorsqu'elle s'applique au Soleil – étudie la propagation d'ondes acoustiques ou de gravité (figure 1) à l'intérieur des étoiles, pour en déduire une information sur leur structure et leur dynamique internes. Contrairement à la Terre, le Soleil – ainsi qu'une multitude d'étoiles du même type – « vibre » en permanence sous l'effet des mouvements convectifs de la région extérieure. Ces mouvements, similaires à ceux observés dans de l'eau qui bout dans une casserole chauffée par le fond, évacuent l'énorme quantité d'énergie créée par les réactions centrales de fusion thermonucléaire. La musique du Soleil Les cellules convectives (1) frappent la surface du Soleil et engendrent des ondes sonores qui se propagent ensuite à l'intérieur de l'étoile, de la même manière que des chocs sur la peau d'un tambour créent des ondes dans l'instrument. Le Soleil joue donc le rôle d'une énorme caisse de résonance (figure 2). SoHO (ESA-NASA) s’échappent de la couronne solaire. Ces flux de particules réguliers ou épisodiques – pour les phénomènes les plus violents – arrivent jusqu’à la magnétosphère qui protège notre planète. Toutefois, une partie de ces particules contourne la Terre et pénètre les hautes couches atmosphériques par les pôles, donnant naissance aux aurores boréales. Ce phénomène entraîne parfois des perturbations atmosphériques, et soumet les pilotes ou les astronautes à des flux conséquents de particules. Il a donc été décidé de suivre ces événements de leur création, au niveau de la couronne solaire, à leur arrivée dans l’environnement de la Terre. Selon l’énergie de ces particules, ce trajet dure quelques jours. En fait, le cycle de Hale n’est pas très régulier. SoHO a clairement montré que les phénomènes dynamiques internes du Soleil déterminent son activité. Un ensemble de processus magnétiques et mécaniques interfèrent de manière complexe. Le phénomène de dynamo – la création d’un champ magnétique par la circulation de particules électriquement chargées – régénère cette activité et implique l’ensemble de la région convective. densité de puissance spectrale 10 8 RA 10 6 10 4 GR 10 2 10 0 bruit de fond instrumental modes modes de gravité acoustiques RA + SGR + GR fréquence (Hz) SGR 10 -2 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 Figure 1. Densité de puissance spectrale du Soleil, obtenue à partir du déplacement Doppler mesuré par GOLF (en noir) et du bruit de fond instrumental (en rouge). Pour les ondes acoustiques (fréquence supérieure à 5.10 -4 Hz), le spectre solaire présente un maximum autour de 3.10 -3 Hz. La forte puissance vers les fréquences basses provient des turbulences associées essentiellement aux mouvements granulaires (GR), supergranulaires (SGR) et au passage des régions actives (RA). (1) Une cellule convective correspond à une « bulle » de matière chaude (moins dense) qui monte, puis se refroidit et donc redescend, pour se réchauffer et remonter. (2) Une octave correspond à un doublement de fréquence. R. A. García/CEA - Spécifique
La zone de transition entre les régions radiative et convective joue aussi un rôle important. C’est en effet une zone très turbulente, siège de cisaillements transverses. Cette zone stocke et amplifie la composante toroïdale du champ magnétique solaire. Ce dernier crée ainsi des boucles dont certaines s’élèvent jusqu’à la surface, alors que d’autres contribuent à reformer le champ poloïdal. Par ailleurs la zone équatoriale tourne plus vite que les pôles – la différence, d’environ 30%, est visible à la surface de l’astre. Cette différence de rotation se propage dans toute l’épaisseur de la région convective, et contribue à la composante toroïdale du champ magnétique. La région radiative, elle, semble tourner quasiment de façon rigide : elle tourne « en bloc ». Son profil de rotation est de mieux en mieux établi. Par contre les premières observations des modes de gravité semblent montrer que le cœur nucléaire de l’étoile tourne plus vite ! Ceci pourrait représenter un vestige de la formation du système solaire. En effet, le jeune Soleil tournait sans doute très vite lorsqu’il s’est découplé du disque gazeux (reste de la nébuleuse initiale) qui l’entourait. Au cours de cette phase, le Soleil a pu être très actif et un fort champ Dans tout instrument de musique, le son produit est d'autant plus grave que la caisse de résonance est de dimensions importantes : que l'on songe à une contrebasse et un violon, par exemple. Le Soleil ayant un volume un million trois cent mille fois supérieur à celui de la Terre, on comprend instinctivement que ses ondes acoustiques auront des fréquences très basses. Et de fait, le Soleil produit des ondes sonores décalées de 17 octaves (2) par rapport au « La naturel », qui vibre à 440 Hz. La fréquence des ondes solaires est centrée autour de 0,003 Hz, ce qui correspond à une période de cinq minutes. Bien que récente, l'héliosismologie a déjà apporté une ample moisson de connaissances sur la globalité de notre étoile : profondeur de la base de la zone convective, abondance de l'hélium en surface, profil de densité, profil de rotation interne, diffusion des éléments… (voir Les enseignements du Soleil, p.10 et Voyage dans les lumières de l'Univers, p.90). Actuellement se développe une sismologie locale, qui s'intéresse aux phénomènes dynamiques de « courte » durée dans des régions proches de la surface. Les champs de vitesse et de température du plasma solaire sous la surface révèlent, par exemple, la structure sous-jacente des taches solaires. Avec le lancement du satellite franco-européen CoRoT (Convection, Rotation et Transits planétaires – Cnes, ESA), le 27 décembre 2006, D’après J. Christensen-Dalsgaard etL. P.Rasmussen log (luminosité/luminosité solaire) 6 4 2 0 -2 magnétique s’est alors créé dans la région radiative. Or sa diffusion est très lente : quelques milliards d’années. Ce champ fossile ainsi que les ondes internes générées par la convection peuvent influencer le magnétisme sur des temps plus longs que le cycle de 11 ans. Cette histoire de l’interaction magnétique du Soleil avec la Terre reste encore à écrire. > Sylvaine Turck-Chièze Service d'astrophysique (SAp) Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers (Irfu) Direction des sciences de la matière (DSM) Unité mixte de recherche astrophysique interactions multi-échelles (CEA-Université Paris 7-CNRS) CEA Centre de Saclay (Orme des Merisiers) POUR EN SAVOIR PLUS Clefs CEA, N°49, Printemps 2004, Le Soleil et la Terre. S. TURCK-CHIÈZE, R. A. GARCÍA, S. COUVIDAT et al., Astrophysical Journal, vol. 604, p.455, 2004. R. A. GARCÍA, S. TURCK-CHIÈZE, S. J. JIMENEZ-REYES et al., Science, numéro 316, p.1537, 2007. A. S. BRUN etL. JOUVE, IAU Symposium 247, p.33, 2008. 20 M Soleil Cep GW Vir DBV SPB 4 M Soleil sdBV Ceph Sct roAp Dor étoiles de type solaire DAV RR Lyr 1 M Soleil 5,0 4,5 4,0 3,5 log (température effective) Figure 2. Diagramme de Hertzsprung-Russell, montrant la relation entre la température effective et la luminosité des étoiles, où sont indiquées les principales familles d'étoiles pulsantes dans les bandes d'instabilité. Les lignes continues correspondent à des chemins d'évolution pour des étoiles de différentes masses solaires (1, 4 et 20 masses solaires de bas en haut). Sont également représentées les étoiles dans la séquence principale d'âge zéro (– – – –), les étoiles dans la branche horizontale (–...–...) et la séquence de refroidissement des naines blanches (...). l'astérosismologie est en plein essor. CoRoT a déjà observé des centaines d'étoiles de types spectraux bien différents, à divers stades de leur évolution. Autant de données qui affineront la théorie de l'évolution dynamique des étoiles (voir L'origine des éléments lourds, p.22). SR Mira• β Cep : étoiles variables de type Beta Cephei• SPB : étoiles faiblement variables de type B• RR Lyr : étoiles variables de type RR Lyrae• δ Sct : étoiles variables de type delta Scuti• γ Dor : étoiles variables de type gamma Doradus• roAp : étoiles de type Ap (chimiquement particulières) rapidement variables• Ceph : céphéides classiques• Mira : étoiles variables de type Mira• SR : variables semirégulières• sdBV : étoiles sous-naines variables• GW Vir : étoiles de type GW Virginis• DBV : naines blanches variables de type spectral DB• DAV : naines blanches variables de type spectral DA > Rafael A. García Service d'astrophysique (SAp) Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers (Irfu) Direction des sciences de la matière (DSM) Unité mixte de recherche astrophysique interactions multi-échelles (CEA-Université Paris 7-CNRS) CEA Centre de Saclay (Orme des Merisiers) CLEFS CEA - N°58 - AUTOMNE 2009 15



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