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Le Soleil n'est pas rond, la faute à son champ magnétique

Observé finement avec les capteurs à rayons X du télescope en orbite  Rhessi, destiné à étudier ses éruptions, le Soleil révèle sa véritable forme, celle d’une sphère imparfaite. Il s’agirait d’un effet du champ magnétique solaire en grande partie.

En rouge la forme du Soleil s'il était une sphère parfaite. En bleu sa forme moyenne sur 3 mois et en noir la forme moyenne sur une période de 10 jours. Les oscillations de surface sont bien réelles et produites par le champ magnétique du Soleil. Crédit : Nasa Goddard Space Flight Center En rouge la forme du Soleil s'il était une sphère parfaite. En bleu sa forme moyenne sur 3 mois et en noir la forme moyenne sur une période de 10 jours. Les oscillations de surface sont bien réelles et produites par le champ magnétique du Soleil. Crédit : Nasa Goddard Space Flight Center

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Notre Soleil est l’étoile qui nous est la plus connue et c’est le premier banc d’essai de nos théories sur la structure stellaire. Pourtant, malgré des dizaines d’années d’observations patientes, il est encore loin de nous avoir livré tous ses secrets.

Etant donné sa taille et sa masse, sa forme devrait être celle d’une sphère quasi parfaite, la gravité ayant tendance à lisser sa surface. Ce serait cependant oublier que notre étoile tourne sur elle-même, certes lentement, mais d'un mouvement suffisant pour que le plasma solaire adopte une très légère forme ellipsoïdale correspondant  à l’état d’équilibre d’un corps fluide autogravitant en rotation.

De façon étonnante, la théorie des formes d’équilibres de tels objets autorise plusieurs configurations possibles qui ont été étudiées par Riemann, Poincaré et Chandrasekhar. Ce dernier avait d’ailleurs compris l’influence que pouvait avoir le champ magnétique des étoiles sur leur stabilité.

On sait que jusqu’à la découverte par Einstein de la théorie de la relativité générale, l’avance du périhélie de Mercure était un mystère. L’un des tests de cette théorie fut sa prédiction de cette avance. Mais, des années plus tard, quelques chercheurs firent remarquer que l’on pourrait peut être expliquer le mouvement de Mercure sans faire intervenir la théorie de la relativité générale, simplement en admettant que le Soleil n’était pas la sphère quasi parfaite que l’on imaginait.

Sphérique à 1 pour cent mille près

La détermination de sa forme précise n’est pas évidente mais les résultats obtenus jusqu’à présent sont compatibles avec la théorie de la relativité générale. Cependant, rien ne prouve que de subtiles modifications de la théorie de la gravitation relativiste ne prédisent pas de légères déviations aux prédictions de la théorie d’Einstein. Ces écarts seraient observables en gagnant quelques décimales dans les mesures, notamment grâce à une connaissance plus précise de la forme du Soleil et des forces responsables de celle-ci.

Lancé en 2002 par la Nasa, le télescope Rhessi a pour but d’étudier les éruptions solaires dans le domaine des rayons X et gamma, mais les astronomes ont réalisé que cet instrument pouvait servir aussi à estimer la forme précise du Soleil.

En plus de rendre possible un test de la relativité générale, une meilleure compréhension de la théorie de la formation du système solaire permettait d’imaginer que la conservation du moment cinétique, lors de l’effondrement de la nébuleuse protosolaire, avait conduit à une rotation du cœur du Soleil légèrement plus rapide que celle de ses couches externes. Ce genre de phénomène pouvant lui aussi modifier la figure d’équilibre de notre étoile, les observations de Rhessi constituent donc une vraie mine d’or. C’est d'ailleurs l’un des charmes de la physique que des observations apparemment aussi innocentes que celle de la forme d’un astre puissent donner autant d’informations potentielles sur la cosmogonie et la physique fondamentale. 

Cliquez pour agrandir. La surface du Soleil observée en ultraviolet au moment d'un maximum du cycle solaire. Crédit : Crédit : Gary Palmer
Cliquez pour agrandir. La surface du Soleil observée en ultraviolet au moment d'un maximum du cycle solaire. Crédit : Crédit : Gary Palmer

Alexei Pevtsov et ses collègues de la Nasa viennent de publier dans Science le résultat de leur recherche concernant la figure d’équilibre du Soleil, déterminée grâce à Rhessi. Sa forme est celle d’une sphère parfaite à 0,001% près mais il y a donc bel et bien un écart entre le diamètre du Soleil aux pôles et à l’équateur.

Mais les observations vont plus loin. Ces différences sont les plus prononcées au moment du maximum du cycle de l’activité solaire. Le champ magnétique du Soleil est alors plus intense et comme il influe sur la supergranulation (les sortes de cellules convectives visibles à sa surface), un réseau complexe de rides se forme à l’équateur, augmentant légèrement son diamètre.

D’une taille d’environ 30.000 kilomètres de diamètre et probablement dues à la convection solaire (l'hypothèse fait débat), ces cellules de la supergranulation ne doivent pas être négligées. Il faut en soustraire les effets pour obtenir l’influence de la gravitation et de la rotation du Soleil sur sa forme. On trouve alors des bornes sur des écarts possibles à la relativité générale. En l’état, les chercheurs ont mesuré une différence de 8,01 +/- 0,14 millisecondes d’arc entre les gransd axes de l'ellipsoïde solaire, ce qui est proche de ce à quoi on s’attendait en tenant compte d’une simple rotation de notre étoile.

En augmentant encore la précision des mesures, il serait possible de détecter des modes d’onde gravitationnelles faisant résonner le Soleil et qui sont en relation avec ses couches profondes et son cœur, les modes g.


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