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Clés du cycle solaire, les cellules de convection géantes existent bien

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Larges de centaines de milliers de kilomètres, les cellules de convection géantes à l'intérieur du Soleil avaient été découvertes théoriquement en 1968, mais jamais observées. C'est chose faite grâce aux instruments du satellite SDO. En influençant les courants de matière de la couche convective du Soleil, ces cellules doivent participer à l'établissement du cycle des taches solaires. Leur découverte pourrait entraîner prochainement une révolution dans les tentatives d'établissement d'une véritable météorologie solaire.

En enlevant des données du Helioseismic and Magnetic Imager équipant SDO les effets de la rotation du Soleil et en se concentrant sur l’analyse à l’ordinateur des mouvements des cellules composant la supergranulation solaire, on voit apparaître la présence de cellules de convection géantes. Elles sont bien visibles en relation avec des mouvements lents représentés par un champ de vitesse sous forme de flèches. Sur ce schéma, les mouvements vers l'est sont représentés en rouge, et ceux vers l'ouest en bleu. Ces cellules restent stables pendant des mois et transportent du moment angulaire vers l’équateur, ce qui maintient une rotation équatoriale rapide du Soleil. © Nasa, MSFC, David Hathaway

Le satellite SDO (Solar Dynamics Observatory) a été lancé en février 2010. On lui doit de superbes images d'éruptions solaires et de pluies coronales. Mais avec lui, les astrophysiciens solaires ont pour but de mieux comprendre comment le champ magnétique du Soleil est généré et structuré, comment l'énergie magnétique stockée est convertie et libérée dans l'héliosphère et sous forme de vent solaire.

Surtout, ils essayent de percer les secrets du cycle solaire et tentent d'accumuler des informations pour un jour prédire les colères du Soleil. Une météorologie solaire développée est une nécessité, alors que notre civilisation dépend de plus en plus des satellites en orbite qui sont vulnérables aux tempêtes solaires, générant par exemple des électrons tueurs dans la magnétosphère de notre planète.

L'astrophysicien solaire David Hathaway étudie le Soleil depuis presque quatre décennies. Avec deux de ses étudiants, il vient justement d'utiliser les données de la mission SDO pour tenter de résoudre un problème vieux de 45 ans. En 1968, les astrophysiciens George Simon et Nigel Weiss avaient prédit qu'il devait exister de larges cellules de convection sous la surface du Soleil. Que les couches supérieures du Soleil soient en convection était clair depuis des décennies, cela découlait naturellement des modèles de la structure stellaire appliqués au Soleil. On en avait même des preuves expérimentales depuis des siècles avec la granulation solaire.

Le Soleil est constitué de trois grandes structures : son cœur, où se déroulent les réactions de fusion thermonucléaire, la zone radiative, où le transfert d'énergie se fait grâce au rayonnement, et enfin la zone convective, où le transfert d'énergie est assuré par la convection. En surface, la granulation est la manifestation la plus clairement observable de la convection solaire. © Kelvinsong, Wikimedia Commons, cc by sa 3.0

Des cellules de convection solaires à plusieurs échelles

Elle est bien visible à la surface du Soleil comme une structure de grains brillants cernés par des zones plus sombres et étroites. William Herschel avait observé la granulation solaire en 1801, et l'on sait depuis les travaux de Janssen (1896) et Chevalier (1908) que la taille de ces grains est comprise entre 750 et 1.500 km, et qu'ils ont une durée de vie de cinq minutes environ. Ce n'est toutefois qu'en 1930 que l'on a vraiment établi qu'il s'agissait de cellules ascendantes de plasma chaud entourées de plasma plus froid grâce aux travaux de l'astrophysicien allemand Albrecht Unsöld.

La granulation en surface du Soleil est ici comparée à la surface de l’Europe. Chaque cellule est l'analogue des cellules de convection que l'on peut observer dans de l'eau portée à ébullition. © Gypaete, Wikimedia Commons, cc by 1.0

Comme il l'explique avec ses étudiants dans un article publié dans Science, David Hathaway a mis en évidence l'existence des cellules de convection géantes de Simon et Weiss en étudiant les mouvements non pas de la granulation solaire, mais de sa supergranulation. Elle est formée de cellules de convection à la surface du Soleil dont la taille est cette fois d'environ 30.000 km en moyenne, et qui peuvent durer pendant une journée. Elles ont été découvertes en 1954 par A. B. Hart.

David Hathaway raconte dans cette vidéo comment il a été impliqué dans la découverte des cellules de convection géantes du Soleil. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle avec deux barres horizontales en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître, si ce n'est pas déjà le cas. En passant simplement la souris sur le rectangle, vous devriez voir l'expression « Traduire les sous-titres ». Cliquez pour faire apparaître le menu du choix de la langue, choisissez « Français », puis cliquez sur « OK ». © Nasa, YouTube

Les chercheurs ont analysé à l'ordinateur les données de SDO concernant 27 jours d'évolution des supergranules, avec l'idée qu'ils étaient sensibles à des courants très lents les transportant des centres aux frontières de ces cellules de convection. En 1996, Hathaway avait déjà obtenu des indications de l'existence des cellules de convection géantes à partir des observations de Soho, mais sans pouvoir aboutir à un résultat incontestable. Ce n'est plus le cas maintenant, et l'on peut clairement voir apparaître les cellules de Simon et Weiss sur les images d'ordinateur, comme celle que l'on peut voir à la fin de la vidéo.

L'énigmatique rotation différentielle du Soleil

Les astrophysiciens disposent maintenant d'une nouvelle clé pour résoudre une énigme que l'on peut faire remonter à la découverte des taches solaires par Galilée. Les observations montrent en effet que l'équateur du Soleil tourne plus rapidement (environ 25 jours) que les régions à des latitudes plus élevées (environ 35 jours). Cette rotation différentielle du Soleil tord ses lignes de champ magnétique qui sont « gelées » dans le plasma, comme on dit dans le cadre de la magnétohydrodynamique. Ce phénomène est étroitement lié au cycle des taches solaires ainsi qu'aux mouvements de convection sous la surface du Soleil, mais l'on ne comprend toujours pas vraiment l'origine de la rotation différentielle.

Selon Hathaway, les mouvements des cellules géantes seraient précisément en mesure d'accélérer les mouvements de matière à l'équateur et de les ralentir aux latitudes plus élevées. Et le chercheur ajoute : « Nous sommes au milieu d'une révolution scientifique au sein de la communauté solaire sur la façon dont le cycle des taches solaires fonctionne. » À terme, on pourrait bien être en mesure de prédire l'importance des taches solaires lors d'un de ces cycles, et même les endroits où elles se formeront.