Réponse à Line sur la rotation du Soleil

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Réponse à Line sur la rotation du Soleil

Message par Admin le Mer 21 Déc - 20:06

Je rédige ce sujet à part au lieu de le placer à la suite du sujet sur les vibrations du Soleil afin de ne pas allonger le précédent sujet.

Les informations produites dans cet article sont issues des travaux publiés par une équipe internationale dirigée par Sylvaine Turck-Chièze du Service d'Astrophysique du CEA-DAPNIA.


Avant propos : Les récentes études sur le Soleil, en particulier au travers du programme SoHO, on permis des découvertes qui ont pour première conséquence une remise en question de la structure solaire et de la rotation de ses différentes parties.
Pour comprendre ces variations de vitesse de rotation assez complexes il faut en premier lieu examiner la structure solaire telle que on la connaît maintenant.

Voici cette structure :
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Dans cette structure la zone qui nous intéresse est la tachocline. C'est la zone de transition entre la zone centrale de rotation uniforme et la zone périphérique de rotation différentielle, concrètement entre la zone radiative et la zone convective. De récentes études d'héliosismologie indiquent que la tachocline se situe à 0,7 rayon solaire du centre du Soleil.

Les instruments GOLF (Global Oscillations at Low Frequencies) et MDI (Michelson Doppler Imager) du satellite d'observations SOHO (Observatoire Solaire et Héliosphérique / SOlar and Heliospheric Observatory) viennent de permettre pour la première fois la mesure de la rotation du Soleil dans ses régions les plus internes. Les observations, analysées par les scientifiques du Service d'Astrophysique (SAp) du CEA-DAPNIA, révèlent que l'intérieur du Soleil tourne à une vitesse constante comme le ferait un corps solide. Cette étonnante découverte démontre très probablement une influence stabilisatrice importante du champ magnétique à l'intérieur de la boule de gaz qui constitue le Soleil.

Le modèle standard du Soleil est aujourd'hui dépassé :
L'intérieur du Soleil apparaît de moins en moins conforme aux hypothèses classiques, des circulations méridiennes sont mises en évidence dans la région convective, une région de cisaillement entre région radiative et convective joue un rôle essentiel dans l'organisation et l'amplification du champ magnétique, l'autre élément crucial étant la rotation différentielle de la région convective. De même, la rotation, tel un corps solide, d'une bonne partie de la région radiative ne peut s'expliquer qu'en invoquant la présence d'un champ magnétique, empêchant une diffusion vers l'intérieur de cette région à fort cisaillement, la tachocline.

schéma de la structure du Soleil :
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Si la rotation du coeur est constante, c'est pas le cas des couches externes. Ces couches ont des vitesses de rotation différentielles assez complexes.
On sait depuis longtemps que la rotation à l'équateur est plus rapide que aux pôles. Ces mesures sont anciennes et ont été réalisées depuis la Terre avec des télescopes d'ancienne génération. Pour s'apercevoir de ces différences de vitesse de rotation ont a simplement mesuré le déplacement des tâches solaires à la surface et de là il a été facile de se rendre compte que l'on a une rotation en 27 jours à l'équateur et 34 jours aux pôles, dite rotation différentielle.

La sismologie depuis l'espace (satellite SoHO) et en réseau au sol (GONG) a permis une mesure de cette rotation à l’intérieur du Soleil. Elle a montré que ces différences de vitesses sont maintenues dans la zone la plus extérieure du Soleil, région dite convective (à une distance du centre supérieure à 0,7 fois le rayon solaire Ro, r>0,7Ro). Mais elles disparaissent brutalement dans une zone de transition appelée tachocline, (située à environ 0,7Ro), région cruciale pour la génération du champ magnétique de surface du Soleil par l'effet dynamo.


rotation différentielle du Soleil en surface et à l'interieur.
Les regions bleues tournent plus vite que les rouges.
Les courbes surimposées correspondent à la circulation méridienne :
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La rotation "différentielle" (e.g. non-solide) des couches externes du Soleil déduite par les instruments d'héliosismologie. Les contours de couleur (représentés dans une coupe du Soleil le long de l'axe de rotation ou "plan méridien") montrent un taux de rotation du Soleil qui est soit rapide (couleur rouge ~ 25 jours ou 460 nHz en fréquence) vers l'équateur ou lent (couleur bleu ~ 34 jours ou 340 nHz en fréquence) vers les régions polaires. On remarque également qu'à partir d'une certaine profondeur, la zone interne devient jaune a toute latitude (rotation solide ~ 27 jours ou 430 nHz).

Se référer à la vue de gauche sur le schéma ci-dessous.


La rotation de l'intérieur du Soleil (entre 0.5 et 1 rayon solaire, la surface visible). La rotation varie selon la latitude entre 26 jours (vers l'équateur 0°) et 31 jours (vers 60°) jusqu'à une profondeur où toutes les courbes de différentes latitudes convergent vers la même valeur de 430 nHz (27 jours). Cette zone dite "tachocline" marque la limite entre l'enveloppe convective du Soleil (i.e r> 0.71 rayon solaire) et la zone radiative (r<0.7 rayon solaire).
Se référer à la vue de droite sur le schéma ci-dessous.



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Les instruments GOLF et MDI (SoHO) ont permis d'aller plus loin en mesurant la rotation dans la zone la plus interne (r<0,3 Ro) à l'intérieur de la région dite "radiative" (r<0,7 Ro).  La méthode consiste à mesurer précisément les effets de la rotation sur des vibrations du Soleil dont la vitesse à la surface solaire n'est que de quelques millimètres par seconde avec des périodes de quelques dizaines de minutes. Ces vibrations dites "acoustiques" car ce sont de faibles variations de pression, analogues à celles qui sont générées par la membrane d'un haut-parleur, sont des modes seulement faiblement pollués par les effets de cycle solaire.  La précision remarquable (de l'ordre de 2 nanoHertz) sur la mesure de la fréquence de ces ondes acoustiques  a permis de mettre fin à un débat sur la variation de la rotation entre 0.2 et 0.7 Ro. La précision des nouvelles données a rendu possible en particulier une mesure dans les régions très internes (entre 0,15 et 0,3 Ro). Elle montre que dans cette région, le Soleil se comporte comme un corps solide tournant à une vitesse constante.

Courbe obtenue cette année avec les expériences GOLF (à laquelle le CEA/DSM/DAPNIA/Service d'Astrophysique a participé) et MDI à bord du satellite SoHO (projet joint ESA/NASA envoyé dans l'espace en décembre 1995) montre que la rotation interne du Soleil entre 0.15 et 0.3 rayon solaire reste pratiquement constante, confirmant que cette zone radiative (r<0.7 rayon solaire) du Soleil tourne rigidement jusqu'à très profondément dans l’étoile et contraint les processus physiques internes du Soleil.
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Ces derniers résultats confirment que la rotation interne du Soleil est très différente de ce que prévoyaient auparavant les modèles théoriques de l'intérieur du Soleil. Les calculs prévoyaient en effet que la rotation du Soleil devait augmenter de plus en plus vers l'intérieur du Soleil. Les données de GOLF/MIDI apportent donc des contraintes importantes sur la redistribution du moment angulaire à l’intérieur du Soleil. Il suggère en particulier fortement que le champ magnétique joue un rôle stabilisateur dans la rotation du Soleil, jusqu'ici sous estimé.
La région du cœur (r<0,15Ro) reste encore inexplorée. Ce résultat n'exclut donc pas l'existence d'une rotation rapide au cœur même du Soleil, relique de sa formation. Cette information est actuellement activement recherchée par l'étude menée en parallèle au SAp sur les modes dits de gravité, principalement sensibles à cette région centrale.

Autres découvertes ayant conduit à réviser le modèle standard :
En 2004, avec l'amélioration de la connaissance des abondances d'oxygène, carbone et azote, le modèle standard doit rendre les armes et laisser la place à des concepts plus riches. Le champ magnétique et la rotation en sont les clés et c'est pourquoi nous commençons d'introduire le champ magnétique dans les modèles sismiques pour montrer que sa présence ne perturbe pas le bon accord entre prédictions et observations des neutrinos. En revanche, il ouvre de nouvelles frontières, l'espoir de révéler d'autres propriétés ignorées du neutrino, comme son moment magnétique, en continuant de détecter les différentes sources de neutrinos solaires avec une nouvelle génération de détecteurs et en recherchant d'éventuelles variabilités temporelles. Dans le domaine astrophysique, c'est le bilan énergétique qui est en cause, et ce sont les phénomènes de transport qui permettront d'unifier notre vision des étoiles jeunes aux supernovae.

Aller encore plus profond, pour comprendre l'origine du système solaire :
Un apport fondamental dans cette percée se trouve dans la connaissance des ondes de gravité. Leur chasse est acharnée à bord du satellite SoHO. La stratégie choisie au CEA est totalement adaptée à notre connaissance de leurs propriétés mais aussi à celle déjà obtenue des propriétés moyennes du coeur nucléaire. La recherche démarrée en 1997, se poursuivra jusqu'aux dernières mesures de SoHO en 2007. Elle consiste à trouver un ensemble de composantes, compatibles avec notre connaissance du Soleil, de façon à aller jusqu'au seuil de détection atteignable avec l'instrument GOLF, c'est-à-dire des vitesses de 1 à 2 mm/s. Au SAp, les techniques d'analyse se sont perfectionnées pour utiliser celles qui sont les moins dépendantes de l'excitation aléatoire des ondes recherchées. Ensuite des analyses statistiques se sont mises en place pour estimer le degré de confiance des candidats obtenus. Dès 1997, des candidats sont apparus, ils ont même été détectés avec plus de 90% de confiance en accumulant 1200 jours d'observation. Mais le doute est encore là à cause de l'activité solaire qui a pollué l'information à partir de 1999.

L'activité magnétique solaire qui a eu son maximum aux alentours de 2001 perturbe notablement l'équilibre du Soleil et génère de violents mouvements de surface qui contribuent à masquer les très faibles fluctuations des ondes de gravité. Pourtant certains candidats modes de gravité sont toujours présents, mais leur apparence est différente de ce que la théorie simple prévoyait (des pics de durée de vie très grande et donc très stables). Ceux-ci apparaissent aujourd'hui compatibles avec une image beaucoup plus complexe de notre Soleil. Ils suggèrent un coeur central à rotation plus rapide que le reste de la région où se déroulent les réactions nucléaires (région radiative) et tournant autour d'un axe différent de ce que nous connaissons. La production de ces ondes nécessitent une structure plus complexe que prévue, soit liée à la déformation superficielle, soit liée à des variations internes de la tachocline ou d'autres phénomènes plus complexes.

Au SAp, les techniques d'analyse se sont perfectionnées pour utiliser celles qui sont les moins dépendantes de l'excitation aléatoire des ondes recherchées. Ensuite des analyses statistiques se sont mises en place pour estimer le degré de confiance des candidats obtenus. Dès 1997, des candidats sont apparus, ils ont même été détectés avec plus de 90% de confiance en accumulant 1200 jours d'observation. Mais le doute est encore là à cause de l'activité solaire qui a pollué l'information à partir de 1999.
L'activité magnétique solaire qui a eu son maximum aux alentours de 2001 perturbe notablement l'équilibre du Soleil et génère de violents mouvements de surface qui contribuent à masquer les très faibles fluctuations des ondes de gravité. Pourtant certains candidats modes de gravité sont toujours présents, mais leur apparence est différente de ce que la théorie simple prévoyait (des pics de durée de vie très grande et donc très stables). Ceux-ci apparaissent aujourd'hui compatibles avec une image beaucoup plus complexe de notre Soleil. Ils suggèrent un coeur central à rotation plus rapide que le reste de la région où se déroulent les réactions nucléaires (région radiative) et tournant autour d'un axe différent de ce que nous connaissons. La production de ces ondes nécessitent  une structure plus complexe que prévue, soit liée à la déformation superficielle, soit liée à des variations internes de la tachocline ou d'autres phénomènes plus complexes.

Les ondes de gravité du Soleil ont donc peut-être été détectées pour la première fois par SoHO. Les données sismiques de GOLF sont aujourd'hui compatibles avec l'observation d'un vestige central d'un Soleil jeune et très actif. Mais les scientifiques attendent désormais la prochaine période calme du Soleil, vers 2006 pour poursuivre leur étude à bord de SoHO mais aussi grâce à un nouvel instrument qui améliorerait encore notre capacité d'investigation. Celui-ci est en préparation dans un cadre international. Les principaux acteurs se situent au DAPNIA, à travers une collaboration SAp, SEDI, SIS. Le projet s'appelle GOLF-NG, il devra combattre le bruit induit par le Soleil lui-même, qui est le principal responsable de la limitation « toute relative » de détection des modes de gravité.

L'instrument GOLF :
S'il ne fait pas de doutes que la longévité du Soleil est due aux réactions nucléaires centrales, ce n'est que très récemment que le coeur du Soleil est accessible à l'observation au point d'en mesurer la température centrale.
L'existence  d'ondes pénétrant jusqu'au coeur du Soleil, contribue à faire du Soleil un véritable laboratoire de plasmas denses. La détection et la mesure des différentes oscillations (modes acoustiques et de gravité) est devenu désormais un moteur puissant pour renouveler notre vision des étoiles.
De statut d'étoile banale, le Soleil se place, aujourd'hui, au centre de nombreuses questions qu'adresse la physique d'aujourd'hui : connaissance des plasmas, formation des étoiles, rôle de la rotation, interaction Soleil-Terre, source de neutrinos….
Lorsque les chercheurs du service d'Astrophysique de Saclay décident de contribuer à la construction de l'instrument spatial de sismologie, GOLF à bord du satellite SoHO, dans les années 90, leur but est clair. Ils souhaitent contribuer à défricher les mystères du coeur nucléaire solaire. Ils rêvent de mesurer la température centrale par résonance spectrométrique en mesurant les fluctuations de vitesse des couches superficielles du Soleil. Ils espèrent aussi détecter les ondes de gravité, piégés dans la région radiative solaire.

Recherchées depuis plus de 30 ans, celles-ci représentent l'unique moyen de révéler la dynamique centrale, vestige de la formation du système solaire.


Le satellite SoHO et ses 12 instruments en test avant le lancement en 1994,

l'instrument GOLF se situe au centre du panneau gauche et continue d'observer le Soleil.
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Lien vers une vue détaillée du satellite SoHo (2400 x 3000 pixels). Attention très grande image (vous pourrez la zoomer et voir tous les détails :
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Mesurer la température centrale du Soleil aura demandé 20 ans d'efforts :
Six ans après le lancement de SoHO, en 2001, la quasi-totalité des ondes de pression (dites aussi ondes acoustiques ou de mode-p) a été détectée grâce à la comparaison permanente des deux instruments sismiques GOLF et MDI qui utilisent des méthodes différentes; si les ondes sont cohérentes, elles se dégagent du bruit incohérent, lentement avec le temps.
Cela a permis dans un premier temps, aux équipes du CEA, d'approcher les conditions thermodynamiques de la région nucléaire et d'en déduire en particulier une mesure indirecte de l'efficacité de la réaction nucléaire principale au coeur du Soleil, la fusion "proton-proton".
Pour la première fois, il a été possible d'en déduire les flux de neutrinos, ces particules produites par milliards par chacune des réactions qui contribuent à la fusion du coeur. Les scientifiques du SAp ont pu ainsi montrer que les flux de neutrinos ne dépendent donc plus des hypothèses simplificatrices des modèles d'étoiles et peuvent se comparer directement aux neutrinos qui arrivent sur Terre et qui sont mesurés par des détecteurs comme le détecteur canadien Sudbury Neutrino Observatory (SNO). L'accord remarquable entre les prédictions du modèle dit "standard" du Soleil et les mesures de neutrinos a conduit à récompenser Raymond Davis Jr. et Masatoshi Koshiba par le prix Nobel de physique 2002. Le modèle standard du Soleil semblait triomphé, presque définitivement.

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Re: Réponse à Line sur la rotation du Soleil

Message par Admin le Mer 21 Déc - 20:52

Ajout sur l'évolution des services de recherches : Le CEA-DAPNIA n'existe plus, il a été remplacé par L'Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (IRFU).  

L'IRFU est issu de la restructuration en 2008 du Département d’Astrophysique, de Physique des Particules, de physique Nucléaire et d’Instrumentation Associée (DAPNIA). Le Dapnia est un ancien établissement de recherche fondamentale en physique du Commissariat à l'énergie atomique créé en 1991 par Robert Aymar, alors directeur de la Direction des Sciences de la Matière (DSM) du CEA

IRFU :
C'est un établissement de recherche en astrophysique, physique nucléaire et physique des particules au Commissariat à l'énergie atomique (CEA) de Saclay qui emploie près de 600 personnes et encadre environ 30 doctorants. Il est rattaché à la Direction des Sciences de la Matière (DSM) du CEA.

L'IRFU est organisé selon plusieurs services :
   SAp : service d'astrophysique
   SACM : service des accélérateurs, de cryogénie et du magnétisme
   SPhN : service de physique nucléaire
   Sedi : service d'électronique, des détecteurs et de l'informatique
   SPP : service de physique des particules
   SIS : service d'ingénierie des systèmes
   Larsim : laboratoire de recherche sur les sciences de la matière

Sylvaine TURCK-CHIEZE est maintenant Directrice de recherche CEA, spécialité sismologie du Soleil et des étoiles programmes : CO-I SoHO/GOLF, COROT, PICARD, PI GOLF-NG, Responsable du consortium OPAC, PI ANR OPACITY

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Quel plongeon !

Message par Line le Mer 21 Déc - 20:52

J'ai tout lu Adriana, magique ! je suis fascinée, émerveillée.
Donc, le coeur du soleil aurait bien une rotation plus rapide.

Quand je pense à la connerie des hommes et que je vois tout ce qu'ils ignorent, ça me rend malade.
J'ai beaucoup appris sur le soleil, notre soleil, grâce à toi et je t'en suis reconnaissante.
J'ai beaucoup d'admiration pour toi, Adriana, beaucoup.....
Avec ma fille, tu es la deuxième personne avec qui je peux assouvir cette soif immense de curiosité qui m'habite...
Merci et passe une bonne soirée.
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Re: Réponse à Line sur la rotation du Soleil

Message par Admin le Mer 21 Déc - 20:54

Merci Line, contente de pouvoir assouvir ta soif de connaissances et je le ferai à chaque fois qu'un sujet que tu pose ici est dans mon domaine de connaissance.

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