Grâce à de nouvelles simulations numériques, une équipe scientifique animée par des chercheurs du Département d'Astrophysique-Laboratoire AIM du CEA-Irfu est parvenue à expliquer pourquoi le champ magnétique du Soleil se renverse tous les 11 ans. Les scientifiques ont mis en évidence l’existence d’une rétroaction forte entre le champ magnétique de l’étoile et son profil de rotation interne, dont les modulations temporelles déterminent ultimement la période du cycle. Cette découverte majeure quant à la compréhension de l’origine du champ magnétique des étoiles est publiée le 14 juillet 2017 dans la revue Science.
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Le cycle magnétique du Soleil en réalité virtuelle (CEA Astrophysique)
La complexité du champ magnétique des étoiles
Une collaboration internationale incluant le CEA, le CNRS et l’Université Paris Diderot a simulé en 3D l’intérieur des étoiles afin d’expliquer la cyclicité magnétique de celles-ci. En effet, le Soleil possède un champ magnétique qui change de signe (se renverse) tous les 11 ans depuis plusieurs siècles. C’est la source de phénomènes éruptifs très énergétiques pouvant impacter notre Terre. Ce champ magnétique est issu des mouvements convectifs turbulents qui animent l’intérieur de notre étoile via un effet dit dynamo . Des cycles magnétiques sont également observés sur d’autres étoiles de type solaire, sur des périodicités typiques de l’année à quelques dizaines d’années.
Le champ magnétique d’une étoile est généré par le fluide conducteur en mouvement qui le construit par effet dynamo [1]. Dans le Soleil, ce fluide est composé à la fois :
- d’écoulements à grande échelle (une rotation différentielle en rayon et latitude, et une circulation dans le plan méridien),
- et d’un écoulement turbulent multi-échelles issu de l’instabilité de convection qui opère dans la coquille sphérique externe de notre étoile (de 0.7 rayon solaire jusqu’à la surface).
Ces deux types d’écoulements jouent un rôle essentiel pour auto-entretenir un champ magnétique global de grande échelle. Dans certains cas, comme pour le Soleil, ce champ magnétique global oscille sur une période décennale dont l’origine restait encore aujourd’hui mal comprise.
Simulation du champ magnétique azimutal, en fonction de la latitude et du temps. On observe que le champ magnétique se renverse régulièrement et oscille entre des phases symétriques (même signe de part et d’autre de l’équateur par exemple entre 100 et 140 ans) et antisymétriques (signe opposé par exemple entre 240 et 320 ans) par rapport à l’équateur. ©DAp-CEA/Université de Montréal
Le champ magnétique d’une étoile tire ainsi son énergie des flots de matière qui animent son intérieur. Grâce à leurs simulations, les chercheurs ont aussi pu montrer que la rotation de l’étoile influence l’efficacité du transfert d’énergie, dit complexe (car non-linéaire), entre ces flots et le champ magnétique. Ce phénomène détermine également la période du cycle, qui a été montré comme décroissant avec le nombre de Rossby [2], un nombre sans dimension très utilisé en dynamique des fluides géophysiques qui mesure les effets de la force centrifuge.
La découverte d’une telle loi d’échelle pour la période du cycle magnétique d’une étoile à partir de simulations 3D turbulentes auto-cohérentes est une première mondiale. Grâce à différents programmes d’observation, les chercheurs disposent aujourd’hui d’informations sur la durée des cycles magnétiques des étoiles de type solaire, dont ils connaissent souvent la luminosité avec une bonne précision. En considérant leurs caractéristiques de rotation, les chercheurs peuvent aussi maintenant déduire les propriétés de leur cycle magnétique. En observant de plus en plus d’étoiles, et grâce à de nouvelles simulations numériques qui feront varier la structure interne de l’étoile, les astrophysiciens espèrent affiner ce nouveau scénario de l’origine du cycle magnétique des étoiles.
A gauche : Rapport entre la période du cycle magnétique et la période de rotation de l'étoile en fonction du nombre de Rossby dans les simulations 3D turbulentes. Une loi de puissance inversement proportionnelle au nombre de Rossby est observée du fait de la forte non-linéarité de l'effet dynamo dans ces simulations. A droite; le même rapport en fonction de la luminosité normalisée de l’étoile. Les points bleus sont les résultats des simulations comparés aux caractéristiques du Soleil (cercle mauve avec un point en son centre) et des étoiles de type solaire (étoiles cyan et losanges orange). Les lignes pointillées verticales correspondent à des étoiles pour lesquelles deux types de périodicités magnétiques ont été identifiées. ©DAp-CEA/Université de Montréal
Les scientifiques ont ainsi mis en évidence l’existence d’une rétroaction forte entre le champ magnétique de l’étoile et son profil de rotation interne, dont les modulations temporelles déterminent ultimement la période du cycle. Ces résultats tirent parti des grands calculateurs GENCI, PRACE et ComputeCanada. Ils offrent une nouvelle interprétation théorique à l’origine des cycles magnétique stellaires, et replacent le Soleil comme pierre angulaire de notre compréhension de la dynamique des étoiles. En caractérisant le magnétisme des étoiles de type solaire, ces simulations vont permettre notamment de préparer le retour scientifique des prochaines missions européennes Solar Orbiter et PLATO.
Contacts : A. Strugarek, A.S. Brun
Publication :
"Reconciling solar and stellar magnetic cycles with nonlinear dynamo simulations".
Strugarek A., Beaudoin P., Charbonneau P., Brun A.S., Do Nascimento Jr J.D.
publié dans la revue Science du 14 juillet 2017
Voir : le communiqué de presse CEA-CNRS (14 juillet 2017)
Voir aussi : Vents magnétiques stellaires (19 janvier 2017)
Etudier la génération du champ magnétique à l'intérieur des étoiles et planètes (23 mai 2017)
[1] L'effet dynamo correspond à la génération spontanée d’un champ magnétique au sein d'un liquide conducteur en mouvement.
[2] Le nombre de Rossby mesure le rapport entre les forces d’inertie et la force de Coriolis qui s'applique à un fluide dans un repère tournant. Un faible nombre de Rossby correspond à une situation où l’effet de la rotation (Coriolis) domine les mouvements du fluide, comme dans le cas par exemple de la circulation globale des masses d'air océaniques sur Terre.
Rédaction : A. Strugarek, CEA Com, J.M. Bonnet-Bidaud
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