16.4 : L'intérieur du Soleil - Observations
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Objectifs d'apprentissage
À la fin de cette section, vous serez en mesure de :
- Expliquez comment le soleil palpite
- Expliquez ce qu'est l'héliosismologie et ce qu'elle peut nous apprendre sur l'intérieur du soleil
- Expliquez comment l'étude des neutrinos du soleil a aidé à comprendre les neutrinos
Rappelons que lorsque nous observons la photosphère du Soleil (la couche superficielle que nous voyons de l'extérieur), nous ne voyons pas très profondément dans notre étoile, certainement pas dans les régions où l'énergie est produite. C'est pourquoi le titre de cette section, « Observations de l'intérieur du Soleil », devrait paraître très surprenant. Cependant, les astronomes ont en effet conçu deux types de mesures qui peuvent être utilisées pour obtenir des informations sur les parties internes du Soleil. L'une des techniques consiste à analyser de minuscules changements dans le mouvement de petites régions de la surface du Soleil. L'autre repose sur la mesure des neutrinos émis par le Soleil.
Pulsations solaires
Les astronomes ont découvert que le Soleil palpite, c'est-à-dire qu'il se dilate et se contracte alternativement, tout comme votre poitrine se dilate et se contracte lorsque vous respirez. Cette pulsation est très légère, mais elle peut être détectée en mesurant la vitesse radiale de la surface solaire, c'est-à-dire la vitesse à laquelle elle se rapproche de nous ou s'éloigne de nous. On observe que les vitesses des petites régions du Soleil changent régulièrement, d'abord vers la Terre, puis vers l'extérieur, puis vers, et ainsi de suite. C'est comme si le Soleil « respirait » à travers des milliers de poumons individuels, chacun ayant une taille comprise entre 4 000 et 15 000 kilomètres, chacun fluctuant d'avant en arrière (Figure\(\PageIndex{1}\)).
La vitesse typique de l'une des régions oscillantes du Soleil n'est que de quelques centaines de mètres par seconde, et il faut environ 5 minutes pour effectuer un cycle complet de la vitesse maximale à la vitesse minimale et vice versa. La variation de la taille du Soleil mesurée en un point donné ne dépasse pas quelques kilomètres.
Ce qui est remarquable, c'est que ces petites variations de vitesse peuvent être utilisées pour déterminer à quoi ressemble l'intérieur du Soleil. Le mouvement de la surface du Soleil est provoqué par les vagues qui l'atteignent depuis les profondeurs de son intérieur. L'étude de l'amplitude et de la durée du cycle des changements de vitesse fournit des informations sur la température, la densité et la composition des couches traversées par les ondes avant d'atteindre la surface. La situation est quelque peu analogue à l'utilisation des ondes sismiques générées par les tremblements de terre pour déduire les propriétés de l'intérieur de la Terre. C'est pourquoi les études des oscillations solaires (mouvements de va-et-vient) sont appelées héliosismologie.
Il faut un peu plus d'une heure pour que les vagues traversent le Soleil du centre à la surface. Les ondes, comme les neutrinos, fournissent des informations sur la nature de l'intérieur du soleil à l'heure actuelle. En revanche, rappelez-vous que la lumière solaire que nous voyons aujourd'hui émerger du Soleil a en fait été générée dans le noyau il y a plusieurs centaines de milliers d'années.
L'héliosismologie a montré que la convection s'étend vers l'intérieur à partir de la surface sur 30 % du chemin vers le centre ; nous avons utilisé cette information dans le dessin\(16.3.6\) de la Section 16.3. Les mesures de pulsations montrent également que la rotation différentielle que nous observons à la surface du Soleil, la rotation la plus rapide se produisant à l'équateur, persiste dans la zone de convection. En dessous de la zone de convection, cependant, le Soleil, même s'il est entièrement gazeux, tourne comme s'il s'agissait d'un corps solide comme une boule de bowling. Une autre découverte de l'héliosismologie est que l'abondance d'hélium à l'intérieur du Soleil, sauf au centre où les réactions nucléaires ont converti l'hydrogène en hélium, est à peu près la même qu'à sa surface. Ce résultat est important pour les astronomes car il signifie que nous avons raison lorsque nous utilisons l'abondance des éléments mesurés dans l'atmosphère solaire pour construire des modèles de l'intérieur du soleil.
L'héliosismologie permet également aux scientifiques de regarder sous une tache solaire et de voir comment elle fonctionne. Dans The Sun : A Garden-Variety Star, nous avons dit que les taches solaires sont froides parce que de puissants champs magnétiques bloquent le flux d'énergie vers l'extérieur. La figure\(\PageIndex{2}\) montre comment le gaz se déplace sous une tache solaire. La matière fraîche provenant de la tache solaire s'écoule vers le bas, et la matière entourant la tache solaire est tirée vers l'intérieur, emportant avec elle un champ magnétique et maintenant ainsi le champ puissant nécessaire à la formation d'une tache solaire. Lorsque le nouveau matériau pénètre dans la région des taches solaires, il se refroidit, se densifie et coule, créant ainsi un cycle auto-perpétuel qui peut durer des semaines.
La matière froide qui coule vers le bas agit comme une sorte de bouchon qui bloque le flux ascendant de matière chaude, qui est ensuite déviée latéralement et finit par atteindre la surface solaire dans la région autour de la tache solaire. Ce flux de matière chaude vers l'extérieur explique le paradoxe que nous avons décrit dans The Sun : A Garden-Variety Star, à savoir que le soleil émet un peu plus d'énergie lorsqu'une plus grande partie de sa surface est recouverte de taches solaires froides.
L'héliosismologie est devenue un outil important pour prévoir les tempêtes solaires susceptibles d'avoir un impact sur la Terre. Des régions actives peuvent apparaître et s'agrandir en quelques jours seulement. La période de rotation solaire est d'environ 28 jours. Par conséquent, des régions capables de produire des éruptions solaires et des éjections de masse coronale peuvent se développer de l'autre côté du Soleil, où, pendant longtemps, nous n'avons pas pu les voir directement.
Heureusement, nous avons maintenant des télescopes spatiaux qui surveillent le Soleil sous tous les angles, ce qui nous permet de savoir si des taches solaires se forment du côté opposé du Soleil. De plus, les ondes sonores se déplacent légèrement plus rapidement dans les régions soumises à un champ magnétique élevé, et les ondes générées dans les régions actives traversent le Soleil environ 6 secondes plus rapidement que les ondes générées dans les régions calmes. En détectant cette différence subtile, les scientifiques peuvent avertir pendant une semaine ou plus les opérateurs de services publics d'électricité et de satellites lorsqu'une région active potentiellement dangereuse pourrait changer de vue. Grâce à cet avertissement, il est possible de planifier les perturbations, de mettre des instruments clés en mode sécurisé ou de reprogrammer des sorties dans l'espace afin de protéger les astronautes.
Neutrinos solaires
La deuxième technique pour obtenir des informations sur l'intérieur du Soleil consiste à détecter quelques-uns de ces neutrinos insaisissables créés lors de la fusion nucléaire. Souvenez-vous de notre discussion précédente que les neutrinos créés au centre du Soleil sortent directement du Soleil et se déplacent vers la Terre à une vitesse proche de celle de la lumière. En ce qui concerne les neutrinos, le soleil est transparent.
Environ 3 % de l'énergie totale générée par la fusion nucléaire dans le Soleil est emportée par les neutrinos. Tellement de protons réagissent et forment des neutrinos à l'intérieur du cœur du Soleil que, selon les scientifiques, 35 millions de milliards (\(3.5 × 10^{16}\)) de neutrinos solaires traversent chaque mètre carré de surface de la Terre chaque seconde. Si nous pouvons trouver un moyen de détecter ne serait-ce que quelques-uns de ces neutrinos solaires, nous pourrons obtenir des informations directement sur ce qui se passe au centre du Soleil. Malheureusement pour ceux qui essaient de « capturer » des neutrinos, la Terre et tout ce qui s'y trouve sont également presque transparentes au passage des neutrinos, tout comme le Soleil.
Mais en de très rares occasions, l'un des milliards et des milliards de neutrinos solaires interagit avec un autre atome. La première détection réussie de neutrinos solaires a utilisé du liquide de nettoyage (\(\ce{C2Cl4}\)), qui est le moyen le moins coûteux de réunir un grand nombre d'atomes de chlore. Le noyau d'un atome de chlore (Cl) dans le liquide de nettoyage peut être transformé en noyau d'argon radioactif par interaction avec un neutrino. Comme l'argon est radioactif, sa présence peut être détectée. Cependant, comme l'interaction d'un neutrino avec le chlore se produit si rarement, une énorme quantité de chlore est nécessaire.
Raymond Davis Junior (Figure\(\PageIndex{3}\)) et ses collègues du laboratoire national de Brookhaven ont placé un réservoir contenant près de 400 000 litres de liquide de nettoyage à 1,5 kilomètre sous la surface de la Terre dans une mine d'or à Lead, dans le Dakota du Sud. Une mine a été choisie de manière à ce que les matériaux environnants de la Terre empêchent les rayons cosmiques (particules à haute énergie provenant de l'espace) d'atteindre le liquide de nettoyage et de créer de faux signaux. (Les particules de rayons cosmiques sont bloquées par d'épaisses couches de Terre, mais les neutrinos les trouvent sans importance.) Les calculs montrent que les neutrinos solaires devraient produire environ un atome d'argon radioactif dans le réservoir chaque jour.
C'était un projet incroyable : ils comptaient les atomes d'argon environ une fois par mois, et n'oubliez pas qu'ils recherchaient une infime poignée d'atomes d'argon dans un énorme réservoir d'atomes de chlore. En fin de compte, l'expérience de Davis, entamée en 1970, n'a détecté qu'environ un tiers des neutrinos prévus par les modèles solaires ! Ce résultat a été choquant car les astronomes pensaient avoir une assez bonne compréhension des neutrinos et de l'intérieur du Soleil. Pendant de nombreuses années, les astronomes et les physiciens se sont penchés sur les résultats de Davis pour tenter de trouver une solution au dilemme des neutrinos « manquants ».
Finalement, le résultat de Davis s'explique par la découverte surprenante qu'il existe en fait trois types de neutrinos. La fusion solaire ne produit qu'un seul type de neutrino, appelé neutrino électronique, et les premières expériences de détection des neutrinos solaires ont été conçues pour détecter ce type de neutrinos. Des expériences ultérieures ont montré que ces neutrinos se transforment en un type différent au cours de leur voyage du centre du Soleil à travers l'espace jusqu'à la Terre, selon un processus appelé oscillation des neutrinos.
Une expérience, menée à l'Observatoire de neutrinos de Sudbury au Canada, a été la première conçue pour capturer les trois types de neutrinos (Figure\(\PageIndex{4}\)). L'expérience a été réalisée dans une mine à 2 kilomètres sous terre. Le détecteur de neutrinos était constitué d'une sphère en plastique acrylique transparent de 12 mètres de diamètre contenant 1 000 tonnes métriques d'eau lourde. N'oubliez pas qu'un noyau d'eau ordinaire contient deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène. L'eau lourde contient plutôt deux atomes de deutérium et un atome d'oxygène, et les neutrinos entrants peuvent parfois briser le proton et le neutron faiblement liés qui constituent le noyau du deutérium. La sphère d'eau lourde était entourée d'un bouclier de 1 700 tonnes métriques d'eau très pure, lui-même entouré de 9 600 photomultiplicateurs, des dispositifs qui détectent les éclairs de lumière produits après l'interaction des neutrinos avec l'eau lourde.
À l'immense soulagement des astronomes qui fabriquent des modèles du Soleil, l'expérience de Sudbury a détecté environ 1 neutrino par heure et a montré que le nombre total de neutrinos atteignant l'eau lourde correspond exactement aux prévisions des modèles solaires. Cependant, seul un tiers d'entre eux sont des neutrinos électroniques. Il semble que les deux tiers des neutrinos électroniques produits par le Soleil se transforment en un autre type de neutrinos lorsqu'ils se déplacent du cœur du Soleil vers la Terre. C'est pourquoi les expériences précédentes n'ont permis de détecter qu'un tiers du nombre de neutrinos attendu.
Bien que cela ne soit pas intuitivement évident, de telles oscillations de neutrinos ne peuvent se produire que si la masse du neutrino électronique n'est pas nulle. D'autres expériences indiquent que sa masse est minuscule (même comparée à celle de l'électron). Le prix Nobel de physique 2015 a été décerné aux chercheurs Takaaki Kajita et Arthur B. McDonald pour leurs travaux établissant la nature changeante des neutrinos. (Raymond Davis a partagé le prix Nobel 2002 avec le Japonais Masatoshi Kotoshiba pour les expériences qui nous ont permis de comprendre le problème des neutrinos.) Mais le fait que le neutrino ait une masse a de profondes implications à la fois pour la physique et l'astronomie. Par exemple, nous examinerons le rôle que jouent les neutrinos dans l'inventaire de la masse de l'univers dans The Big Bang.
L'expérience Borexino, une expérience internationale menée en Italie, a détecté des neutrinos provenant du Soleil qui ont été identifiés comme provenant de différentes réactions. Alors que la chaîne p-p est la réaction qui produit la plus grande partie de l'énergie solaire, ce n'est pas la seule réaction nucléaire qui se produit dans le cœur du Soleil. Il existe des réactions secondaires impliquant des noyaux d'éléments tels que le béryllium et le bore. En analysant le nombre de neutrinos issus de chaque réaction, l'expérience Borexino nous a permis de confirmer en détail notre compréhension de la fusion nucléaire au Soleil. En 2014, l'expérience Borexino a également identifié les neutrinos produits par la première étape de la chaîne p-p, confirmant ainsi les modèles des astronomes solaires.
Il est étonnant qu'une série d'expériences qui ont débuté avec suffisamment de liquide de nettoyage pour remplir une piscine et qui ont fait tomber les puits d'une ancienne mine d'or nous renseignent maintenant sur la source d'énergie du soleil et les propriétés de la matière ! C'est un bon exemple de la façon dont les expériences en astronomie et en physique, associées aux meilleurs modèles théoriques que nous puissions concevoir, continuent d'entraîner des changements fondamentaux dans notre compréhension de la nature.
Concepts clés et résumé
Les études des oscillations solaires (héliosismologie) et des neutrinos peuvent fournir des données d'observation sur l'intérieur du Soleil. La technique de l'héliosismologie a montré jusqu'à présent que la composition de l'intérieur ressemble beaucoup à celle de la surface (sauf dans le noyau, où une partie de l'hydrogène d'origine a été convertie en hélium) et que la zone de convection s'étend sur environ 30 % de la surface du Soleil jusqu'à son centre. L'héliosismologie peut également détecter des régions actives de l'autre côté du Soleil et fournir de meilleures prévisions des tempêtes solaires susceptibles d'affecter la Terre. Les neutrinos émis par le Soleil nous renseignent sur ce qui se passe à l'intérieur du Soleil. Une expérience récente a montré que les modèles solaires prédisent avec précision le nombre de neutrinos électroniques produits par les réactions nucléaires au cœur du Soleil. Cependant, les deux tiers de ces neutrinos sont convertis en différents types de neutrinos au cours de leur long voyage du Soleil à la Terre, ce qui indique également que les neutrinos ne sont pas des particules sans masse.
Lexique
- héliosismologie
- étude des pulsations ou des oscillations du Soleil afin de déterminer les caractéristiques de l'intérieur du Soleil