L’intérieur du Soleil et des étoiles n’est pas accessible par l’astronomie conventionnelle, en particulier avec le rayonnement électromagnétique. Néanmoins, les processus internes des étoiles peuvent souvent être déduits sur la base de l’activité de surface de l’étoile, à travers l’étude de la propagation d’ondes acoustiques, à l’image de la sismologie terrestre. On parle ici d’héliosismologie. Récemment, des scientifiques de l’Université de New York à Abu Dhabi ont analysé 25 ans de données spatiales et terrestres et détecté des ondes mystérieuses. Elles se déplacent dans le sens opposé à la rotation du Soleil et trois fois plus vite qu’attendu par la physique solaire actuelle. Elles mettent les scientifiques devant une nouvelle énigme ! Explications.
Tout comme la sismologie étudie les tremblements de Terre, l’héliosismologie étudie les tremblements du Soleil. Comme presque toutes les étoiles, la surface du Soleil est animée de mouvements oscillatoires. Ces pulsations naturelles et permanentes engendrent des ondes sonores ou de gravité qui se propagent dans l’étoile et permettent de l’étudier de la surface vers le centre. La source des ondes, dans le cas du Soleil, provient de la turbulence de surface. Des millions de particules de gaz portées à une température de plusieurs milliers de degrés s’agitent et induisent des ondes qui se propagent à l’intérieur du Soleil.
Certaines ondes, plutôt tangentielles, restent près de la surface et se réfléchissent en de nombreux points de la sphère. D’autres, plus radiales, atteignent le centre du Soleil. Des millions de « modes » de vibration différents sont engendrés à chaque instant. L’étude de ces modes nous renseigne sur les propriétés de la matière stellaire. Avec un diamètre de 1 400 000 km, le Soleil « sonne » à une fréquence très basse, autour de 3 mHz, plusieurs dizaines d’octaves en dessous du seuil accessible à l’oreille humaine (allant de 16 à 20 000 Hz).
Cependant, les ondes acoustiques sont insensibles à des paramètres tels que les champs magnétiques, la viscosité turbulente et les gradients d’entropie dans la zone de convection profonde, qui sont des apports critiques aux théories de la dynamique solaire. Les ondes inertielles peuvent combler cet écart avec leurs sensibilités complémentaires à ces paramètres. Il s’agit d’un type d’onde hydrodynamique trouvée dans les corps fluides en rotation. Sur Terre, les ondes inertielles jouent un rôle important dans les systèmes météorologiques, comme le transport de l’air polaire froid de l’Arctique vers l’Amérique du Nord. Dans le Soleil, elles jouent probablement un rôle dans le transport du moment cinétique vers l’équateur, permettant à l’équateur du Soleil de continuer à tourner plus vite que ses pôles.
C’est ainsi qu’en couplant les données traditionnelles et cette nouvelle méthode d’ondes inertielles, les scientifiques du centre de recherche spatiale de l’université de New York à Abu Dhabi ont pu mettre en évidence un nouveau type d’onde. Leur résultat est publié dans la revue Nature Astronomy.
L’avènement de l’héliosismologie
Cette découverte fait suite à une étude publiée en 2021 par le même centre d’études spatiales, dirigée par Laurent Gizon et exploitant l’héliosismologie. L’étude a conduit à la découverte d’oscillations globales du Soleil, comparables à la période de rotation solaire de 27 jours. Les oscillations se manifestent à la surface solaire sous forme de mouvements tourbillonnants avec des vitesses d’environ cinq kilomètres à l’heure. De la même façon que l’étude de Hanson et al. (2022), L. Grizon s’est basé sur l’héliosismologie, discipline jeune en astrophysique. En effet, c’est seulement en 1960 que des pulsations extrêmement faibles du Soleil d’une période de 5 minutes ont été mises en évidence pour la première fois. Par mesure de vitesse Doppler, elles provoquaient des déplacements de la photosphère à des vitesses de plusieurs kilomètres par seconde.
Mais, il faudra attendre la décennie suivante pour comprendre, théoriquement, ce phénomène comme étant la manifestation de la propagation d’ondes sonores dans le soleil. D’autres observations, par des télescopes au sol d’abord, avant l’avènement de missions spatiales spécialement dédiées, ont ultérieurement confirmé à la fois cette découverte et la théorie.
Les propriétés de ces oscillations, dépendant des variations des conditions physiques et des mouvements de l’intérieur des étoiles comme le Soleil, offrent la possibilité de sonder une étoile de la même manière que les séismes renseignent les géophysiciens sur la structure du globe terrestre. Laurent Grizon déclarait dans un communiqué : « La découverte d’un nouveau type d’oscillations solaires est passionnante car elle nous permet de déduire des propriétés, telle que la force de la conduite convective, qui contrôlent finalement la dynamique solaire ».
Des ondes inédites, à l’origine inexpliquée
Dès lors, Chris Hanson et ses collègues ont analysé les données issues de 24 ans d’observations des télescopes terrestres du Global Oscillation Network Group, ainsi que 10 ans d’observations du télescope spatial HMI — acronyme, en anglais, de Helioseismic and Magnetic Imager.
Dans les données, les chercheurs ont trouvé un signal très cohérent, que leur analyse révèle comme la présence d’ondes inédites, baptisées « ondes rétrogrades à haute fréquence » (HFR). Elles se déplacent dans le sens inverse de la rotation du Soleil et apparaissent sous la forme d’un motif de tourbillons à la surface de l’étoile (ou vortex), avec une antisymétrie entre les pôles Nord et Sud. Elles se déplacent sur la surface du soleil à une vitesse trois fois supérieure à celle établie par la théorie actuelle sur les mouvements du plasma dans l’étoile. Leur origine pose une véritable énigme.
Néanmoins, elles seraient similaires aux ondes de Rossby magnétiques, découvertes en 2017, bien que beaucoup plus rapides. Il faut savoir que les ondes de Rossby apparaissent dans les écoulements de fluides, dans des référentiels en rotation, situation dans laquelle se trouve le Soleil. La force de Coriolis — force qui dévie la trajectoire d’un objet en mouvement à la surface d’un objet en rotation — est responsable de l’apparition de ce type d’ondes. Notamment sur Terre, les ondes de Rossby se manifestent à de très grandes échelles sous la forme de mouvements ondulatoires de la circulation atmosphérique ou océanique. Elles ont été découvertes au début du XXe siècle par le physicien suédois Carl-Gustaf Rossby (1898-1957) qui leur a donné son nom.
Ainsi, dans le but de résoudre l’énigme de l’origine de ces ondes rétrogrades à haute fréquence, les scientifiques de l’étude supposent qu’elles seraient dans un premier temps excitées par la force de Coriolis. Puis, trois mécanismes pourraient affecter et modifier les ondes : 1) les champs magnétiques à l’intérieur du Soleil ; 2) l’interaction avec d’autres ondulations du Soleil, appelées ondes de gravité ; 3) la compression du plasma, c’est-à-dire les mouvements de convection.
C. Hanson explique dans un communiqué : « Si les ondes HFR pouvaient être attribuées à l’un de ces trois processus, la découverte aurait répondu à certaines des questions non résolues que nous avons encore sur notre étoile. Cependant, ces nouvelles vagues ne semblent pas être le résultat de ces processus, et c’est excitant car cela conduit à un tout nouvel ensemble de questions ».
De manière similaire, des ondes de haute fréquence ont été découvertes en 1996, dans les océans, se propageant jusqu’à quatre fois plus vite que prévu par la théorie, et elles se sont révélées très difficiles à expliquer. Étudier les similitudes des deux phénomènes via des modélisations plus détaillées pourrait aider à expliquer le mystère de ces ondes à l’avenir.
C. Hanson conclut sur la probabilité qu’une combinaison de magnétisme, de gravité et de compression soit à l’origine de ces ondes. Il insiste : « Il est très difficile d’imaginer un scénario où l’un d’entre eux ne joue pas un rôle dans l’amélioration de la vitesse du mode ».
En étudiant la dynamique interne du Soleil — grâce à l’utilisation des ondes — les scientifiques peuvent mieux apprécier l’impact potentiel du Soleil sur la Terre et les autres planètes de notre système solaire. La nature encore indéterminée de ces ondes promet une nouvelle physique et un nouvel aperçu de la dynamique solaire.
