Reflets de la Physique n°58 jun/jui/aoû 2018
Reflets de la Physique n°58 jun/jui/aoû 2018
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°58 de jun/jui/aoû 2018

  • Périodicité : bimestriel

  • Editeur : Société Française de Physique

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 48

  • Taille du fichier PDF : 3,9 Mo

  • Dans ce numéro : l'observatoire spatial Fermi.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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Hélio-sismologie C’est en 1960 que des pulsations extrêmement faibles du Soleil, d’une période de 5 minutes, ont été mises en évidence pour la première fois par Robert Leighton de l’université de Caltech, par mesure de l’effet Doppler  : elles provoquaient des déplacements de la photosphère à des vitesses de plusieurs km/s. Il faudra attendre les années 1970 pour que ce phénomène soit interprété comme la manifestation de la propagation d’ondes sonores dans le Soleil. Sous l’action d’un mécanisme d’excitation, des ondes (des modes propres) sont générées et se propagent [2]. Pour le Soleil, il s’agit essentiellement d’ondes acoustiques. Ayant un diamètre de 1 400 000 km, le Soleil « résonne » à une fréquence proche de 3 mHz, plusieurs dizaines d’octaves en dessous du seuil accessible à l’oreille humaine (environ 16 Hz). C’est l’excitation par la turbulence convective qui se révèle être l’effet dominant. L’interaction turbulence-convection joue en fait simultanément le rôle d’excitation et d’amortissement des modes propres. L’excitation est également due, dans une moindre mesure, au « mécanisme κ », engendré par l’opacité de l’hélium, et localement actif à proximité de la surface, mais qui contribue moins que pour d’autres types d’étoiles pulsantes comme les β-Céphéides [3,4]. Ce mécanisme, aussi appelé «Eddington valve» (soupape d’Eddington) [5], permet à l’atmosphère de l’étoile d’osciller. La régulation des fuites de chaleur (provenant de l’intérieur de l’étoile) fonctionne comme une soupape  : l’énergie est accumulée pendant la compression et évacuée pendant l’expansion. Au cours de la compression, l’opacité augmente, ce qui provoque une accumulation d’énergie dans la couche comprimée avant d’amorcer une expansion. Puis l’opacité diminue, ce qui accélère l’évacuation de l’énergie accumulée, ralentit l’expansion et amorce la compression suivante. La turbulence convective et le mécanisme κ sont susceptibles de fournir de l’énergie dans le même domaine de fréquences, spatiales et temporelles, et les pulsations se propagent depuis le centre du Soleil jusqu’à la chromosphère à la vitesse de 2 m/s. La sismologie a permis la détermination de la stratification interne du Soleil, notamment du profil de vitesse du son 12 Reflets de la Physique n°58 a b c (pouvant atteindre plusieurs centaines de km/s) en fonction de la profondeur. Cette quantité dépend fortement des variations de température, densité et pression. Les transitions entre les différentes régions du Soleil peuvent ainsi être identifiées, dont la base de la zone convective, délimitant la région où s’effectue le mélange (et l’homogénéisation de la composition chimique observée à la surface solaire). D’autres propriétés du plasma solaire ont pu être testées grâce à l’hélio-sismologie, comme l’abondance de l’hélium dans la zone convective (celle-ci ne pouvant être mesurée dans le spectre d’absorption du Soleil). La valeur obtenue était bien plus faible que celle attendue. Ce déficit a été compris comme résultant d’un processus de sédimentation de l’hélium et des éléments plus lourds au sein de la zone convective vers la zone radiative depuis l’apparition du Soleil. Ce mécanisme a pu être introduit dans les modèles d’évolution stellaire et ainsi améliorer leurs prédictions. De même, l’âge du Soleil a été contraint précisément à 4,57 ± 0,11 milliards d’années. Élément Estimations antérieures [8] - 2. Images de la basse couronne solaire obtenues à plusieurs longueurs d’onde en ultraviolet (domaine réservé aux instruments en orbite) par le télescope EIT du satellite SoHO. La basse couronne apparaît émissive à des températures qui vont de 80 000 à plus de 2 millions de degrés. (a) Raie du fer IX (171 Å), T = 0,7 10 6 K. (b) Raie du fer XII (195 Å), T = 1,4 10 6 K. (c) Raie du fer XV (284 Å), T = 2,0 10 6 K. La sismologie globale a offert la possibilité de découvrir les larges mouvements au sein du Soleil mais ne donne pas accès aux mouvements locaux, à plus petite échelle. La sismologie locale, technique récente utilisant les modes les plus superficiels, a permis de mettre en évidence de nouveaux mouvements entre l’équateur et les pôles (la circulation méridienne). Elle a aussi permis de révéler la dynamique des taches solaires. L’observation de sa surface montre que le Soleil tourne plus vite à l’équateur (en 25 jours) qu’aux hautes latitudes (35 jours). On sait que la zone radiative présente une rotation solide  : elle tourne d’un seul bloc, mais on n’avait pas accès jusqu’à présent à la dynamique du cœur solaire, qui requiert l’utilisation des modes de gravité. Cela va peut-être changer, car ces derniers ont été récemment observés et mesurés indirectement par l’effet de modulation qu’ils produisent sur le temps de parcours mis par les ondes acoustiques pour effectuer l’aller-retour le long du diamètre solaire en passant par son centre (environ 4 h 7 mn) [6]. La qualité et la Estimations les plus récentes [9] H 12 12 He 10,93 10,93 C 8,52 8,43 N 7,92 7,83 O 8,83 8,69 Fe 7,50 7,50 Abondances photosphériques de quelques constituants du Soleil. Les quantités des deux dernières colonnes sont exprimées, selon la convention habituelle utilisée par les astrophysiciens, par A X = Log 10 (N X/N H) +12, ou N X est le nombre d’atomes de l’élément X (ici H, He,C, N, O et Fe). EIT/SOHO (ESA & NASA, couleurs artificielles).
Sandia National Laboratory a 1 J J Courant 25 MA fils de W Fe/Mg e o b quantité des données concernant désormais ces ondes ont permis de confirmer que le Soleil manifeste un phénomène de rotation différentielle spectaculaire  : avec une période d’une semaine environ, son cœur tourne presque quatre fois plus vite que sa surface (la durée moyenne d’une rotation des couches externes du Soleil est de 27 jours). On peut voir sur la figure 1 les ondes acoustiques (modes p) localisées principalement dans la zone convective, et les ondes de gravité (modes g) confinées dans la zone radiative et le cœur du Soleil. Une autre problématique importante concerne les neutrinos solaires [7] et leurs « oscillations ». L’hélio-sismologie apporte des contraintes importantes sur les conditions dans le cœur nucléaire du Soleil, auxquelles le flux de neutrinos émis est très sensible (il est proportionnel à la puissance 24 de la température dans le cœur). Champ magnétique B 4 mm Mousse de CH 2 14,5 mg/cm 3 6 mm I rill -Ilb i 20 mm (120 fils) 40 mm (240 fils) Fe/Mg Fe/Mg Plasma W Plasma CH 2 3. Schéma du dispositif expérimental sur la machine Z-pinch. (a) Les deux cages concentriques de tungstène (W), la mousse de plastique (polyéthylène C n H 2n) centrale et l’échantillon de fer/magnésium. (b) Lorsque le plasma de tungstène entre en collision avec la mousse de polyéthylène, le rayonnement généré par le choc est piégé dans la cage de tungstène et chauffe l’échantillon. (c) À la stagnation, un rayonnement X intense est généré, permettant de radiographier (sonder) l’échantillon. c Le problème de l’abondance deC, N et O I Courant 25 MA 12 mm Au début des années 2000, les astrophysiciens se réjouissaient, car les prédictions du modèle standard solaire étaient en accord avec l’essentiel des observations. Mais des scientifiques ont analysé différemment les spectres solaires, en s’appuyant sur des simulations 3D d’hydrodynamique radiative (dépendant du temps) de l’atmosphère solaire et en effectuant des recoupements avec des données météoritiques. Ils ont conclu que les abondances deC, N, O et Ne devaient être revues à la baisse de manière significative (voir le tableau et les références [8, 9]). Cela a suscité un émoi dans la communauté des astrophysiciens, car le Soleil fait office d’étalon pour de nombreux objets stellaires. Ainsi, si une réduction de 50% de l’abondance de l’oxygène dans le Soleil est annoncée, cela Avancées de la recherche signifie qu’il doit y avoir également à peu près 50% d’oxygène en moins dans de nombreuses étoiles. Les atomes qui contrôlent le transport de rayonnement dans le Soleil ne sont pas complètement ionisés ; ils possèdent toujours des électrons liés. Le fer (fig. 2) et l’oxygène sont des éléments clés, du fait de leur abondance et de leur forte opacité. Une réduction de la quantité d’oxygène engendre une diminution de sa contribution à l’opacité. C’est également vrai pour le fer (qui contribue à hauteur de 25% à l’opacité à l’interface des zones radiative et convective), mais sa quantité n’a pas été significativement remise en question par les analyses photosphériques récentes. Mesure de l’opacité du fer  : un mystère… La récente révision à la baisse des proportions de carbone, d’azote et d’oxygène dans le mélange solaire a eu pour conséquence de dégrader l’accord précédemment observé entre les résultats de mesures d’hélio-sismologie et les prévisions du modèle stellaire standard. Cet accord pourrait être restauré si la quantité de fer était plus élevée (hypothèse considérée comme peu probable d’après les analyses photosphériques récentes) ou si la contribution du fer à l’opacité totale était supérieure à ses valeurs actuelles, de 5% à la base de la zone radiative solaire à 25% à sa périphérie. Le problème est que les calculs d’opacité du fer n’ont jamais été testés dans les conditions de l’intérieur de l’étoile. Constatant qu’une telle augmentation est grande comparée à l’écart entre les différents calculs d’opacité, la question de leur précision s’est posée et a abouti à la mise en place d’un programme de validation expérimentale sur la machine Z-pinch (photo de la p.11) du Sandia National Laboratory [10] à Albuquerque, aux États-Unis. Les machines Z-pinch (machines à striction axiale) constituent une des voies pour le contrôle de la fusion nucléaire, avec le projet ITER de fusion magnétique à Cadarache et le Laser Mégajoule pour la fusion inertielle par laser à Bordeaux. Lors d’une forte décharge électrique dans une cage à fils de tungstène (impulsion de courant de l’ordre de 25 méga-ampères et d’une durée de 100ns), ces fils se transforment en plasma (fig. 3). Les forces de Lorentz entrainent la striction du plasma sur son axe z (d’où la dénomination Z-pinch) Reflets de la Physique n°58 13



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