Les instruments GOLF (Global Oscillations at Low Frequencies) et MDI (Michelson Doppler Imager) du satellite d'observations SOHO (Observatoire Solaire et Héliosphérique / SOlar and Heliospheric Observatory) viennent de permettre pour la première fois la mesure de la rotation du Soleil dans ses régions les plus internes. Les observations, analysées par les scientifiques du Service d'Astrophysique (SAp) du CEA-DAPNIA, révèlent que l'intérieur du Soleil tourne à une vitesse constante comme le ferait un corps solide. Cette étonnante découverte démontre très probablement une influence stabilisatrice importante du champ magnétique à l'intérieur de la boule de gaz qui constitue le Soleil.
Connaître les mouvements internes de gaz à l’intérieur des astres est une étape indispensable vers la compréhension des processus d'activité des étoiles. Pour le Soleil, les mouvements de surface sont mesurés depuis longtemps grâce aux tâches solaires. C'est ainsi qu'a été découverte à la surface une forte variation de la vitesse de rotation, avec une rotation en 27 jours à l'équateur et 34 jours aux pôles, dite rotation différentielle.
La sismologie [1] depuis l'espace (satellite SoHO) et en réseau au sol (GONG) a permis une mesure de cette rotation à l’intérieur du Soleil. Elle a montré que ces différences de vitesses sont maintenues dans la zone la plus extérieure du Soleil, région dite convective (à une distance du centre supérieure à 0,7 fois le rayon solaire Ro, r>0,7Ro). Mais elles disparaissent brutalement dans une zone de transition appelée tachocline, (située à environ 0,7Ro), région cruciale pour la génération du champ magnétique de surface du Soleil par l'effet dynamo.
A gauche : La rotation "différentielle" (e.g. non-solide) des couches externes du Soleil déduite par les instruments d'héliosismologie. Les contours de couleur (représentés dans une coupe du Soleil le long de l'axe de rotation ou "plan méridien") montrent un taux de rotation du Soleil qui est soit rapide (couleur rouge ~ 25 jours ou 460 nHz en fréquence) vers l'équateur ou lent (couleur bleu ~ 34 jours ou 340 nHz en fréquence) vers les régions polaires. On remarque également qu'à partir d'une certaine profondeur, la zone interne devient jaune a toute latitude (rotation solide ~ 27 jours ou 430 nHz).
A droite : La rotation de l'intérieur du Soleil (entre 0.5 et 1 rayon solaire, la surface visible). La rotation varie selon la latitude entre 26 jours (vers l'équateur 0°) et 31 jours (vers 60°) jusqu'à une profondeur où toutes les courbes de différentes latitudes convergent vers la même valeur de 430 nHz (27 jours). Cette zone dite "tachocline" marque la limite entre l'enveloppe convective du Soleil (i.e r> 0.71 rayon solaire) et la zone radiative (r<0.7 rayon solaire).
Les instruments GOLF et MDI (SoHO) ont permis d'aller plus loin en mesurant la rotation dans la zone la plus interne (r<0,3 Ro) à l'intérieur de la région dite "radiative" (r<0,7 Ro). La méthode consiste à mesurer précisément les effets de la rotation sur des vibrations du Soleil dont la vitesse à la surface solaire n'est que de quelques millimètres par seconde avec des périodes de quelques dizaines de minutes. Ces vibrations dites "acoustiques" car ce sont de faibles variations de pression, analogues à celles qui sont générées par la membrane d'un haut-parleur, sont des modes seulement faiblement pollués par les effets de cycle solaire. La précision remarquable (de l'ordre de 2 nanoHertz) sur la mesure de la fréquence de ces ondes acoustiques a permis de mettre fin à un débat sur la variation de la rotation entre 0.2 et 0.7 Ro. La précision des nouvelles données a rendu possible en particulier une mesure dans les régions très internes (entre 0,15 et 0,3 Ro). Elle montre que dans cette région, le Soleil se comporte comme un corps solide tournant à une vitesse constante.
Cette courbe obtenue cette année avec les expériences GOLF (à laquelle le CEA/DSM/DAPNIA/Service d'Astrophysique a participé) et MDI à bord du satellite SoHO (projet joint ESA/NASA envoyé dans l'espace en décembre 1995) montre que la rotation interne du Soleil entre 0.15 et 0.3 rayon solaire reste pratiquement constante, confirmant que cette zone radiative (r<0.7 rayon solaire) du Soleil tourne rigidement jusqu'à très profondément dans l’étoile et contraint les processus physiques internes du Soleil.
Ces derniers résultats confirment que la rotation interne du Soleil est très différente de ce que prévoyaient auparavant les modèles théoriques de l'intérieur du Soleil. Les calculs prévoyaient en effet que la rotation du Soleil devait augmenter de plus en plus vers l'intérieur du Soleil. Les données de GOLF/MIDI apportent donc des contraintes importantes sur la redistribution du moment angulaire à l’intérieur du Soleil. Il suggère en particulier fortement que le champ magnétique joue un rôle stabilisateur dans la rotation du Soleil, jusqu'ici sous estimé.
La région du cœur (r<0,15Ro) reste encore inexplorée. Ce résultat n'exclut donc pas l'existence d'une rotation rapide au cœur même du Soleil, relique de sa formation. Cette information est actuellement activement recherchée par l'étude menée en parallèle au SAp sur les modes dits de gravité, principalement sensibles à cette région centrale.
Notes
[1] La sismologie est l'étude des vibrations du Soleil qui se propagent depuis sa surface et vont se réfléchir sur les différentes couches intérieures. L'étude de ces vibrations permet donc de "voir" l'intérieur du Soleil et de mesurer
Publication :
"The rotation of the deep solar layers"
Couvidat S., Garcia R.A., Turck-Chièze S., Corbard T., Henney C.J., Jiménez-Reyes.S.:
accepté dans la revue "Astrophysical Journal Letters, 2004
pour une version en ligne : voir "astro-ph/0309806"
voir aussi "Les cinq ans du satellite SOHO" (9 mai 2001)
"La sismologie solaire" (25 septembre 1998)
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