Des modèles théoriques du Soleil ont permis pour la première fois de rendre compte avec précision de la complexe rotation interne du Soleil. Ces modèles en trois dimensions incluent le champ magnétique et la turbulence à l'interieur du Soleil sur plus de 90% de son volume. Ils permettent ainsi l'étude de la rotation depuis le coeur nucléaire jusqu'à la surface et ont révélé le couplage complexe entre l'intérieur radiatif et l'enveloppe convective de notre étoile. Les résultats de ces modèles ont été obtenus dans le cadre du programme européen STARS2 dirigé par Allan Sacha Brun du Service d'Astrophysique- Laboratoire AIM du CEA-Irfu et font l'objet de plusieurs articles en cours de publication dans l'Astrophysical Journal. Pour ses travaux, A-S Brun a reçu le 18 octobre 2011 le prix "La Recherche" 2011.
Reconstruire l'intérieur du Soleil en 3D
Le Soleil tourne sur lui même en moyenne en 27 jours mais il ne tourne pas comme un corps solide. Vu de l'exterieur, il tourne plus vite à l'équateur (24 jours) que vers les pôles (plus de 30 jours). Comment expliquer cette rotation dite "différentielle" et qu'en est-il à l'intérieur même du Soleil ? Pour essayer de reproduire ce comportement et tenter de comprendre ce qui se passe à l'intérieur du Soleil, les modèles théoriques doivent prendre en compte les mouvements internes en trois dimensions et également l'influence du champ magnétique. Grâce à la puissance des plus puissants calculateurs modernes, plusieurs équipes dans le monde tentent ainsi de mettre en équations le Soleil dans ses trois dimensions.
Le programme européen STARS2 (pour Simulations of Turbulent, Active and Rotating Suns and Stars) dirigé par Allan Sacha Brun vient d'obtenir pour la première fois des résultats spectaculaires qui révélent la dynamique complexe de l'intérieur du Soleil. Ils démontrent notamment le rôle clef du couplage thermique et mécanique entre le coeur et les couches extérieures du Soleil. Ces deux zones du Soleil se comportent différemment : dans la zone interne, la zone dite "radiative" où se déroule les réactions thermonucléaires, le Soleil tourne approximativement comme un corps solide tandis que ses couches externes tournent à des vitesses différentes selon leur distance à l'équateur. Entre les deux zones, se situe une région capitale du Soleil, la "tachocline", une zone de forte transition de vitesse.
La rotation interne du Soleil vue en coupe. La vitesse de rotation calculée par les modèles numériques à trois dimensions est représentée par une échelle de couleurs du bleu (plus faible vitesse) au rouge (plus forte vitesse). La zone la plus interne du Soleil tourne à une vitesse constante jusqu'à une région plus extérieure où cette vitesse varie fortement, très rapide à l'équateur (ligne horizontale pointillée) et très fables aux pôles. Une forte transition en vitesse est générée dans la tachocline, région à la base de la zone convective. Crédits S. Brun/SAp_CEA
Les modèles numériques décrivent donc pour la première fois avec précision les variations de vitesses à l'intérieur du Soleil. La tachocline est supposée être la zone où le champ magnétique du Soleil s'organise pour donner naissance au cycle de 11 ans. Ces modèles intégrés du Soleil 3-D vont donc pouvoir servir de base à des calculs plus ambitieux qui incluront l'effet dynamo à l'origine du cycle solaire.
Comprendre les onde de gravité
D'autres résultats importants de ces modèles est la génération de fluctuations internes dites "ondes de gravité". Ces ondes sont activement recherchées dans le Soleil par la méthode de l'héliosismologie mais restent encore difficiles à détecter. Les modèles permettent de décrire de façon précise leur processus d'excitation, de propagation et d'amortissement et, de plus, ils peuvent être facilement étendus à d'autres étoiles que le Soleil, tournant plus ou moins vite que lui.
Visualisation des ondes de gravité à l'intérieur du Soleil. Au centre, un quadrant a été enlevé pour révéler les vitesses des zones plus internes. Crédit A.S. Brun/SAp
Ces travaux peuvent être également étendus aux jeunes étoiles et à leur magnétisme intense. En particulier le rôle de la rotation de l'étoile pour créer des structures magnétiques intenses comme celles observées a pu être établi. Il a été aussi démontré la génération de champs magnétiques donnant naissance à des structures en diagramme papillon comme observées sur le Soleil. C'est donc dorénavant un véritable nouvel outil de connaissance de l'intérieur des étoiles qui est maintenant à disposition des astrophysiciens.
Contact : A.S. Brun
« Modeling the dynamical coupling of solar convection with the radiative interior »
A. Brun, M. Miesch, J. Toomre (2011) Astrophysical Journal, vol. 742, p. 79
(pour une version électronique 
fichier PDF)
"Magnetic confinement of the solar tachocline: II. Coupling to a convection zone"
A. Strugarek, A. S. Brun and J.-P. Zahn (2011) Astrophysical Journal (sous presse)
arXiv:1107.3665, (pour une version électronique fichier PDF)
"Magnetic Cycles in a Convective Dynamo Simulation of a Young Solar-type Star"
B. Brown, M. Miesch, M. Browning, A.S. Brun, J. Toomre (2011)
Astrophysical Journal vol. 731, p. 69
arXiv:1102.1993, (pour une version électronique fichier PDF)
Voir le dossier de presse : " Bouleversement dans la compréhension des étoiles " , 29 avril 2011
(images et vidéos)
voir aussi " D'où vient le champ magnétique des étoiles ?", 1 février 2006
et le prix de "La Recherche" 2011 pour l'astrophysique
Rédaction : A.S. Brun, J.M. Bonnet-Bidaud
• Structure et évolution de l'Univers › Planètes, formation et dynamique des étoiles, milieu interstellaire
• Le Département d'Astrophysique (DAp) // UMR AIM
• Dynamique des Etoiles, des Exoplanètes et de leur Environnement
