Résoudre une partie du « problème solaire »

Une équipe internationale d’astronomes a réussi à développer un modèle pour résoudre une partie du « problème du soleil ».

Tout allait mal avec le soleil ! Un nouvel ensemble de données au début des années 2000 a abaissé l’abondance chimique à la surface du Soleil, contrairement aux niveaux prédits par les modèles standard utilisés par les astrophysiciens. Cette nouvelle abondance a souvent été remise en cause par plusieurs nouvelles analyses. Comme ils semblaient corrects, c’était aux modèles solaires de s’adapter, d’autant qu’ils servent de référence pour l’étude des étoiles en général. Une équipe d’astronomes de l’UNIGE en collaboration avec l’Université de Liège a développé un nouveau modèle théorique qui résout une partie du problème : en observant la rotation du Soleil, qui a évolué dans le temps, et les champs magnétiques qu’il génère, ils ont pu expliquer la composition chimique du Soleil. Les résultats de cette étude ont été publiés dans la revue Nature Astronomy.

« Le Soleil est l’astre que l’on discerne le mieux, il constitue donc un test essentiel de notre compréhension de la physique stellaire. explique Patrick Egenberger, chercheur au Département d’astronomie de l’Université de Genève, Suisse (UNIGE) et premier auteur de la étude.

Ces observations devraient être cohérentes avec les résultats prédits par les modèles théoriques visant à expliquer l’évolution du Soleil. Comment le soleil brûle-t-il l’hydrogène dans le cœur ? Comment l’énergie y est-elle produite puis transférée vers la surface ? Comment les éléments chimiques dérivent-ils à l’intérieur du soleil, affectés par la rotation et les champs magnétiques ?

Modèle standard solaire

« Le modèle solaire standard que nous avons utilisé jusqu’à présent considère notre étoile de manière très simplifiée, d’une part en termes de transport d’éléments chimiques dans les couches profondes, et d’autre part la rotation et les champs magnétiques internes qui ont complètement négligée jusqu’à présent », explique Gail Boldgen, chercheuse au Département d’astronomie de l’UNIGE et co-auteur de l’étude.

Cependant, tout s’est bien passé jusqu’au début des années 2000, lorsqu’une équipe scientifique internationale a procédé à une révision drastique de l’abondance de l’énergie solaire grâce à une analyse améliorée. La nouvelle abondance a provoqué de profondes ondulations dans les eaux de modélisation solaire. Depuis, aucun modèle n’a pu reproduire les données obtenues par l’héliosmologie (analyse des oscillations du soleil), en particulier l’abondance d’hélium dans l’héliosphère.

Un nouveau modèle et le rôle principal de la rotation et des champs magnétiques

Le nouveau modèle solaire développé par l’équipe de l’UNIGE inclut non seulement l’évolution du spin qui a pu être plus rapide dans le passé, mais aussi l’instabilité magnétique qu’il a créée. « Il faut absolument réfléchir aux effets de la rotation et des champs magnétiques sur le transport des éléments chimiques dans nos modèles stellaires. C’est aussi important pour le Soleil que pour la physique stellaire en général et a un impact direct sur l’évolution chimique de l’atmosphère. l’univers, puisque les éléments chimiques nécessaires à la vie sur Terre sont concoctés au cœur des étoiles ,  » .

Le nouveau modèle prédit non seulement correctement la concentration d’hélium dans les couches externes du Soleil, mais reflète également la concentration de lithium qui a résisté à la modélisation jusqu’à présent. « L’abondance de l’hélium est correctement reproduite par le nouveau modèle car la rotation interne du Soleil imposée par les champs magnétiques génère un mélange turbulent qui empêche cet élément de tomber trop rapidement vers le centre de l’étoile ; parallèlement, l’abondance de le lithium observé à la surface du Soleil est également reproduit car ce mélange le transporte lui-même vers des points chauds où il est détruit », explique Patrick Egenberger

Le problème n’a pas été complètement résolu

Cependant, le nouveau modèle ne résout pas tous les défis posés par l’hélioscience : « Grâce à l’hélioscience, on sait à 500 km dans quelle région commencent les mouvements convectifs de la matière, à 195 000 km sous la surface du Soleil. Cependant, les modèles théoriques de la Soleil prédit une profondeur C’est 10 000 kilomètres ! », explique Sebastian Salmon, chercheur à l’UNIGE et co-auteur de l’article. Si le problème persiste dans le nouveau paradigme, il ouvre une nouvelle porte à la compréhension : « Grâce au nouveau paradigme, nous mettons en lumière des processus physiques qui peuvent nous aider à résoudre cette différence cruciale.

Mise à jour des étoiles semblables au soleil

« Il va falloir revoir les masses, rayons et âges obtenus pour les étoiles de type solaire que nous avons étudiées jusqu’à présent », précise Gaël Buldgen, en détaillant les étapes suivantes. En fait, dans la plupart des cas, la physique solaire est transférée à des études de cas proches du Soleil. Par conséquent, si les modèles d’analyse du Soleil sont modifiés, cette mise à jour devrait également être effectuée pour d’autres étoiles similaires à la nôtre.

Patrick Eggenberger précise : « Cela est particulièrement important si l’on veut mieux caractériser les étoiles hôtes des planètes, par exemple dans le cadre de la mission PLATO. » Cet observatoire de 24 télescopes doit s’envoler vers le point de Lagrange 2 (à 1,5 million de km de la Terre, face au Soleil) en 2026 pour découvrir et caractériser des planètes mineures et améliorer les propriétés de leur étoile hôte.

Référence : « The Sun’s internal rotation and its correlation with the solar surface Li and He » par P. Eggenberger, G. Buldgen, SJAJ Salmon, A. Noels, N. Grevesse et M. Asplund, 26 mai 2022, astronomie naturelle.
DOI : 10.1038 / s41550-022-01677-0