Musique solaire

Les températures anormalement élevées que nous avons connues fin mai a mis le soleil au centre de nos préoccupations. Celui-ci n’est cependant en rien responsable de cette hausse de température; il n’a fait que son job habituel, briller. Car s’il a connu des périodes chaotiques – et qu’il en connaîtra encore jusqu’à détruire toute vie sur Terre – notre soleil est depuis longtemps – et pour longtemps – dans une phase très stable de son existence. Une stabilité due à un équilibre entre 2 types de force: les forces de gravité (force d’Archimède) orientées vers l’intérieur et les forces nucléaires orientées vers l’extérieur du soleil.

Malgré sa proximité et sa perception immédiate par tout un chacun, le soleil n’est guère plus simple à étudier qu’une autre étoile de l’univers. Pendant des siècles, son observation a été directe depuis la Terre à l’aide de télescopes. Puis, grâce aux satellites, les scientifiques ont pu s’affranchir de l’atmosphère terrestre. Ainsi, depuis 30 ans, le satellite américano-européen SoHO a fourni une quantité incroyable de renseignements, notamment sur l’atmosphère solaire ou les interactions entre le vent solaire et l’espace, faisant faire d’immenses progrès à ce qu’on appelle la météorologie spatiale. Mais reste l’intérieur de l’astre non directement observable ni mesurable. C’est donc indirectement – inutile de songer à y déposer des sondes ou des capteurs ! – que les astrophysiciens ont déduit des modèles de composition et comportement de la masse solaire. Parmi les méthodes utilisées, l’héliosismologie se développe depuis quelques décennies. Le terme n’est peut-être pas le plus adéquat en ce sens qu’il n’y a pas à la surface du soleil des séismes comme la surface terrestre en connaît. Mais les pratiques scientifiques sont, elles, tout à fait comparables à celles des sismologues «terriens»: l’étude de la propagation d’ondes. 

Quand on associe soleil et ondes, le premier réflexe est évidemment de penser aux ondes électromagnétiques qui en émanent. Et celles-ci, que nous recevons dans différentes longueurs, ont effectivement permis de découvrir nombre de caractéristiques de l’astre solaire, même sa composition, notamment grâce à la spectroscopie. Avec un avantage que n’ont pas les étoiles lointaines: le rayonnement électromagnétique émis par la surface solaire ne met qu’environ 8 minutes à nous parvenir et non des millions d’années. Nos observations sont donc, presque, en temps réel. On sait moins que cette lumière à qui nous devons la vie aura mis des millions d’années pour traverser les 700 000 km qui séparent le cœur du soleil à sa couche externe, et ce en raison de l’opacité de la matière traversée. La lumière que nous observons ne nous livre donc plus rien de ses origines ou de la nature des couches de matière rencontrées.

Heureusement pour les astrophysiciens, le soleil est aussi le centre de 2 autres types d’onde. Un premier type sont les ondes de gravité (rien à voir avec les ondes gravitationnelles qui sont des fluctuations de l’espace-temps !), provoquée par la poussée d’Archimède à l’intérieur de l’astre. Ces modes de gravité (modes g) donnent des indications sur les couches profondes du soleil (voir schéma). Leur amplitude étant très faible à la surface, elles n’ont été formellement identifiées qu’en 2017, une autre réussite de SoHO. Tout aussi intéressantes soient-elles (elles ont par exemple permis de découvrir que le cœur du soleil tournait sur lui-même en une semaine environ, soit près de 4 fois plus vite que la rotation moyenne de ses couches externes), ce ne sont pas elles qui nous occupent aujourd’hui. Mais bien les ondes p, découvertes bien avant, dans les années 1960. Ce sont des ondes de pression qui se propagent de la surface jusqu’au centre du soleil en une heure environ. Elles sont produites par les fluctuations de pression engendrées par la granulation de la surface du soleil et sont identiques aux ondes sismiques qui traversent la terre. Elles sont dites aussi ondes acoustiques car elles sont de même nature que les ondes sonores. D’où leur grand intérêt car leur étude permet de reconstruire par exemple la structure et les propriétés de l’instrument de musique qui émet ce type d’onde. En va-t-il de même pour le soleil ? Émet-il de la musique ? Oui ! C’est même, paraît-il, un formidable instrument de musique. Dont on n’entendra jamais le son (cela vaut peut‑être mieux ainsi !), les ondes acoustiques ne se propageant pas dans le vide.

Par le monde, plusieurs observatoires étudient donc ces ondes acoustiques afin de caractériser au mieux notre étoile. Parmi eux, le BiSON (Birmingham Solar Oscillations Network), qui est en fait composé de 6 observatoires solaires répartis dans le monde, auquel on doit les résultats récemment publiés (1). Rappelons que si le soleil est stable, il a cependant une activité qui se manifeste par cycle de 11 ans, caractérisée par l’intensité de son champ magnétique et le nombre de taches à sa surface. Le premier de ces cycles a été observé en 1755; nous en sommes aujourd’hui au cycle 25, entamé en 2020. Au cours de chaque cycle, le soleil passe par une période calme, avec peu de taches et une période de forte activité avec des tempêtes magnétiques, des jets de matière et davantage de taches solaires. Cette période de 11 ans correspond à la durée moyenne d’inversion des pôles magnétiques (le pôle nord devient le pôle sud et inversement). Ce n’est donc qu’au bout de 22 ans que les pôles reprennent leur configuration initiale. En écoutant les ondes sonores émises par le soleil lors des 4 cycles précédents, les chercheurs du BiSON ont constaté que l’activité magnétique du soleil – qui influence la fréquence des ondes p – devenait de plus en plus confinée sous sa surface proche, les signaux reçus aujourd’hui (cycle 25) ne faisant que confirmer cette tendance. Cela semble indiquer que le soleil change sur le long terme, indépendamment des cycles habituels, à environ 1 000 km sous sa surface.

Ces observations pourraient se révéler utile en météo spatiale pour mieux anticiper les éruptions solaires, qui s’accompagnent d’orages magnétiques et de violentes éjections de plasma (flux d’ions et d’électrons). Des «désordres» qui produisent notamment de superbes aurores boréales à des latitudes plus basses que d’habitude mais aussi affectent les trajectoires des satellites et troublent les télécommunications.