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Bientôt la fin de la crise de l'oxygène solaire ?

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La détermination de l'abondance de l'oxygène dans le Soleil est un test important pour les théories expliquant sa structure interne et donc pour celles décrivant les étoiles. Les désaccords persistants entre les différentes méthodes de mesure ont conduit à la « crise de l'oxygène », que viennent aujourd'hui atténuer les derniers résultats.

La structure du Soleil. Crédit : Institut d'Astrophysique de Paris

La répartition dans l'Univers de l'oxygène, le troisième élément chimique par son abondance, a été particulièrement étudiée. En outre, il intervient dans le fameux cycle CNO de Bethe qui fait briller bon nombre d'étoiles, et surtout, il est un élément clé de la valeur de l'opacité de la matière stellaire et contrôle donc la structure de l'étoile et son évolution. Ainsi, dans le cas du Soleil, il arrive un moment où l'opacité des couches internes devient si grande que le transfert d'énergie par radiation devient difficile. L'énergie radiative s'accumule alors, ce qui ne peut durer bien longtemps. Un phénomène de convection finit par s'enclencher pour permettre à l'énergie lumineuse issue du cœur du Soleil de rejoindre la surface.

Il se trouve que l'abondance d'oxygène dans le Soleil est justement le paramètre qui influence l'existence et l'épaisseur de la couche convective de notre étoile. Comme des ondes sismiques sont également produites dans la zone convective en raison des mouvements turbulents qui s'y produisent, on peut utiliser les données de la sismologie solaire pour déterminer l'abondance de l'oxygène dans le Soleil.

Le moyen le plus classique pour déterminer l'abondance d'un élément dans une étoile à partir des observations est d'analyser le spectre de son atmosphère. Cette dernière, ainsi que les caractéristiques générales d'une étoile étant reliées à sa structure interne et à sa composition, on peut de cette manière sonder les entrailles des astres. C'est ainsi qu'a surgi le problème de la crise de l’oxygène solaire. Les estimations obtenues ces dix dernières années donnaient en effet une valeur trop faible, incompatible avec les données de l'héliosismologie.

Une crise moins aiguë

En collaboration avec des astronomes étrangers, une équipe de chercheurs de l'Observatoire de Paris a alors entrepris de re-dériver l'abondance de l'oxygène dans l'atmosphère du Soleil, plus précisément au niveau de sa photosphère. Ils se sont servis pour cela des meilleurs spectres disponibles du Soleil, et aussi d'une simulation informatique en 3D de la couche convective du Soleil couplée à son atmosphère, calculée avec le code CO5BOLD. En effet, les conditions de température, pression, densité et champs de vitesses dans l'atmosphère solaire influent sur l'intensité et la largeur des raies tout autant que les abondances des éléments.

Malheureusement, dans le cas de l'oxygène, tout cela rend la détermination de son abondance très délicate. On sait bien sûr que la composition de l'atmosphère solaire est très proche de celles des météorites mais comme l'oxygène est particulièrement volatil, son abondance météoritique n'est pas une mesure fiable, l'oxygène s'étant condensé incomplètement dans le refroidissement de la proto-nébuleuse solaire.

Au final, ces chercheurs ont tout de même trouvé une nouvelle valeur de l’abondance de l’oxygène moins faible que celles obtenues à partir de 2004. Cette année-là, exprimée en métallicité (Z), l'abondance déduite du couplage des méthodes spectroscopiques avec des modèles informatiques 1D et 3D était de Z = 0,012, alors que les estimations données par l'héliosismologie, beaucoup plus robustes, étaient Z = 0,172 (2006) et Z = 0,016 (2008). Publiés sur Arxiv, les derniers résultats indiquent Z = 0,015.

Le désaccord persiste donc mais, compte tenu des incertitudes sur toutes les mesures, la situation est moins dramatique. Reste que cela n'est toujours pas satisfaisant et que quelque chose doit encore nous manquer quelque part dans nos théories ou dans la façon dont nous les utilisons pour interpréter les observations. La crise de l'oxygène solaire n'est donc pas terminée, même si elle est moins aiguë...

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