Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

Objectifs scientifiques de GOLF-NG

Etoile de référence en Astrophysique, le Soleil est aussi notre étoile. Ceci nous donne deux raisons fondamentales de l’étudier précisémment. L’étude du Soleil est aujourd’hui accessible du cœur à sa surface. La première pierre angulaire de l’ESA, SoHO-CLUSTERS, a changé le statut du Soleil. D’une étoile banale, elle est devenue une étoile magnétique, capable de révéler des processus physiques indispensables pour progresser en évolution stellaire (phases avancées) et galactique (ages, taux et compositions lors de l’explosion des supernovae). C’est ce statut d’étoile magnétique qui est au cœur de cette proposition GOLF-NG (Global Oscillations at Low Frequency- New Generation). Les différentes versions de ce projet, dont la première étape est déjà engagée avec le CNES depuis 1999, dans sa version prototype sol (R&D), ont pour objectifs de sonder grâce aux modes acoustiques et aux modes de gravité de basse fréquence, la région radiative du Soleil, d’en extraire les processus hydrodynamiques et d’en étudier leurs évolutions temporaires. Cette région, qui contient 98% de la masse du Soleil, est encore trop mal connue, son étude détaillée est nécessaire pour comprendre les mécanismes de transport clairement présents dans les étoiles mais encore mal modélisés. Notre premier objectif est de définir :

• le profil de rotation du centre du Soleil jusqu’à la base de la zone convective. Ce profil dans le cœur nucléaire est inatteignable par les modes acoustiques et nécessite la détection des modes de gravité. Cette détection est au centre de notre projet (figure 1).

• le profil de la densité de matière du centre du Soleil jusqu’à la base de la zone convective, en partie dans les 25% les plus internes où la moitié de la masse du Soleil est concentrée. Aujourd’hui les 5% (10% en masse) les plus centraux sont inatteignables et le découpage en masse est d’environ 10 à 15%, ce qui ne permet pas de mettre en évidence les instabilités générées dans cette région (figure 2).

• l’ordre de grandeur ou une limite supérieure du champ magnétique dans la région radiative, information inatteignable aujourd’hui. Elle sera déduite de l’asymmétrie des composantes des modes de gravité et des modes acoustiques ou grâce à leur évolution temporelle.

Notre deuxième objectif est de :

• contribuer indirectement à définir un effet de colatitude des variables extraites dans la région radiative: vitesse du son, rotation, champ magnétique, en associant nos données à celles des projets qui seront en orbite à la même période.

• étudier l’évolution temporelle des profils observés en extrayant l’information rapidement (typiquement 1 an), c'est-à-dire en exploitant les basses fréquences et en plaçant notre instrument sur différents satellites pour maintenir la continuité de l’observation, comme c’est aujourd’hui le cas pour la constante solaire dans plusieurs longueurs d’onde, ceci permettrait d’approcher et de mieux valider les processus physiques invoqués.

Contribuer à bâtir une vision dynamique complète du Soleil. C’est la seule étoile pour laquelle ce soit déjà possible, malgré le développement de la sismologie stellaire. Cela suppose la détection des modes de gravité associée à la très bonne résolution des instruments américains tels que HMI (4096 * 4096) (lancement sur SDO en 2008) ou le réseau sol GONG++ actuellement en place qui vont progresser sur l’information de la région convective et sous photosphérique. En baissant la pollution par le bruit solaire, GOLF-NG apportera une aide substantielle à l’analyse des données HMI.

• Les observations de GOLF-NG seront des contraintes déterminantes pour les simulations numériques 3D qui tentent de reproduire l’observation du profil de rotation et des manifestations de la convection, en introduisant aussi le rôle du champ magnétique. Le Soleil est probablement la seule étoile pour laquelle il sera possible de suivre les phénomènes de transport dans la région radiative lors des dix prochaines années, étape cruciale pour la compréhension des phénomènes de transport des phases plus avancées : mélange par rotation, éjection de matière, rôle du champ magnétique.

• Contribuer à comprendre les cycles solaires (dont l’origine est interne et pour laquelle la région de la tachocline, probablement variable, est cruciale) en étudiant les variations temporelles. C’est un élément clé pour comprendre effectivement la relation Soleil – Terre et estimer le rôle quantitatif du soleil sur le climat. Une bonne connaissance des cycles d’activité magnétique mais aussi des éruptions, en particulier en décroissance de cycle, manque encore aujourd’hui.

• Enfin, GOLF-NG jouera un rôle fondamental en progressant sur l’interaction neutrino matière à travers l’interaction magnétique en déterminant ou en mettant des limites sur le moment magnétique du neutrino et sur des processus de résonances de spin. La détermination précise de la région très centrale apportera des contraintes fortes sur les particules de matière noire qui pourraient être piégées au centre de notre étoile.