Le Soleil, portrait d'une étoile
Le soleil est une étoile. Au même titre que tous ces petits points que nous voyons dans le ciel la nuit. Mais faire le lien entre le Soleil et les autres étoiles a demandé un effort intellectuel assez remarquable. Car à priori, rien ne nous permet de faire le lien entre cette importante source de lumière qui nous éclaire le jour, et ces petits points que nous voyons dans le ciel la nuit. Les astrophysiciens ont fait le lien à partir du XIXe siècle, grâce à la spectroscopie, c'est-à-dire l’analyse et à la décomposition de la lumière. On s’est alors rendu compte que la lumière émise par le Soleil et les étoiles était pratiquement identique.
Profitons-en pour clarifier une idée fausse : on entend souvent dire que le soleil est une étoile de taille moyenne. Ce n’est pas tout à fait le cas. Bien entendu, le Soleil n’est pas l’étoile la plus grande connue, mais il n’est pas la plus petite non plus. La grande majorité des étoiles de notre galaxie sont des naines rouges, bien plus petites que le Soleil. Le Soleil fait partie des 10% des étoiles les plus lumineuses de la Voie Lactée !
Dans le système solaire, le Soleil est clairement l’objet dominant : il représente 99% de la masse du système solaire ! Mais qu'est-ce que le Soleil concrètement ?
STRUCTURE INTERNE DU SOLEIL
Le Soleil est essentiellement une grosse boule de gaz chaude composée principalement d'hydrogène. Il mesure 1,4 million de kilomètres de diamètre, soit 100 fois le diamètre de la Terre ou 10 fois le diamètre de Jupiter. A l’intérieur du Soleil, on pourrait faire entrer un million de Terres. Le Soleil est également 300 000 fois plus lourd que la Terre ! Mais pour bien comprendre le Soleil, nous devons regarder dans son cœur.
Au centre du Soleil, les conditions sont infernales. La pression est de 260 milliards de fois la pression atmosphérique de la Terre, et la température atteint 15 millions de degrés Celsius. Dans ces conditions, les atomes d’hydrogène fusionnent pour donner de l’hélium. C’est ce que l’on appelle la fusion thermonucléaire.
En cours de route, une partie de l'énergie nucléaire est libérée dans l’espace. Cette perte d’énergie est décrite par la célèbre équation d’Einstein E = mc², qui indique que la masse peut être convertie en énergie et inversement. Chaque seconde, le Soleil convertit 700 millions de tonnes d'hydrogène en 695 millions de tonnes d'hélium. Les 5 millions de tonnes manquantes sont converties en énergie sous forme de lumière et de chaleur.
La fusion de l'hydrogène se produit uniquement dans le cœur du Soleil. L'énergie libérée chauffe le gaz situé au-dessus du noyau, mais pas suffisamment pour fusionner l'hydrogène en hélium. Plus loin du centre du Soleil, le gaz devient moins dense. Il subit des mouvements de convection. La chaleur fait monter le gaz vers la surface, ce qui provoque son refroidissement. Le gaz moins chaud replonge alors dans les profondeurs du Soleil et finit par se réchauffer à nouveau. C’est exactement le même processus que vous constater dans une casserole d’eau qui boue. Ce processus de convection est un moyen efficace de transférer la chaleur. D'énormes colonnes de montée les gaz chauds s'étendent sur des centaines de milliers de kilomètres de hauteur, apportant la chaleur interne du Soleil à la surface. Au-dessus de la couche de convection se trouve une couche beaucoup plus fine et plus froide très près de la surface du Soleil appelée la photosphère, ou littéralement la sphère de lumière. C'est là que la densité de la matière à l'intérieur du Soleil devient suffisamment fine pour devenir transparente; la lumière peut alors sortir du Soleil pour voyager dans l’espace. C’est cette lumière que nous recevons sur Terre.
En un sens, la photosphère pourrait être considérée comme la surface du Soleil, bien que le Soleil soit une sphère de gaz et n'a donc pas de surface solide. Une dernière couche se situe au-dessus de la photosphère, c’est la couronne, qui peut être considérée comme l’atmosphère du Soleil. Elle nous apparaît au moment des éclipses totales de Soleil, lorsque la Lune recouvre complètement le disque solaire. La couronne est très ténue, mais paradoxalement, elle est beaucoup plus chaude que la photosphère. Sa température atteint un million de degrés, alors que la photosphère est à 6000°C ! La couronne s'étend sur des millions de kilomètres. Et dans un sens, elle ne se termine pas réellement.
La couronne se fond dans ce qu'on appelle le vent solaire, un flux de particules s'éloignant du Soleil. Il souffle dans toutes les directions. La vitesse du vent solaire est généralement d'un million kilomètres par heure, mais peut parfois atteindre des vitesses beaucoup plus élevées.
Lorsque l’hydrogène fusionne en hélium dans le cœur du Soleil, l’énergie est libérée sous forme de lumière. Cette lumière est constituée de particules que l’on appelle des photons. Pour sortir du Soleil, ces photons vont devoir traverser la zone radiative puis la zone convective avant d’être libéré dans l’espace. Combien de temps ce processus prend-il?
Les calculs indiquent qu’il faut plus de 200 000 ans pour que les photons se frayent un chemin entre les différentes couches du Soleil. Cela veut dire que que la lumière que nous recevons du Soleil fut fabriquée dans son noyau au moment de l’apparition de l’Homo sapiens en Afrique ! Incroyable, non ?
ACTIVITÉ MAGNÉTIQUE
Les différents phénomènes que nous observons à la surface du Soleil sont le résultat de son activité magnétique. Nous avons dit que le Soleil était une sphère de gaz, mais ce n’est pas tout à fait exact. Le gaz qui compose le Soleil est tellement chaud, que les atomes qui le composent ont perdu leur électrons, créant ce qu’on appelle un plasma. Nous verrons plus en détail ce qu’est un plasma dans les prochains articles. Pour le moment, ce qui important de comprendre, c’est que le déplacement d’un plasma génère un champ magnétique.
A l’intérieur du Soleil, les mouvements de convection sont couplés avec la rotation du Soleil, ce qui provoque des “rivières” de plasma à l’intérieur du Soleil. Ces courants de plasma génèrent et transportent leur propre champ magnétique. Lorsque ce plasma atteint la surface, leurs champs magnétiques le font également. Ainsi, plusieurs milliers de champs magnétiques s'entremêlent et interagissent entre eux à la surface du Soleil. Lorsque le plasma atteint la surface, il se refroidit. Mais si les boucles magnétiques s'emmêlent, elles empêchent le plasma de retomber dans le Soleil, comme un nœud de lacet empêche de passer le lacet à travers l'œillet de votre chaussure.
Le plasma brille parce qu'il est chaud, mais comme il refroidit, il s'assombrit. Il repose sur la surface, produisant une tache sombre à la surface du Soleil, que nous appelons tout simplement tache solaire. Sur le bord des taches solaires, les lignes de champ magnétique sont parfaitement visibles. Les taches solaires peuvent être énormes. Certaines sont plus grandes que la Terre. Et certaines sont tellement grandes qu’elles peuvent être vues à l'œil nu. Le plasma à la surface du Soleil peut également circuler le long de ces boucles magnétiques. Cela peut créer d'énormes arcs de matériau appelés protubérances ou filaments, s'étendant sur des centaines de milliers de kilomètres au-dessus de la surface solaire.
Les champs magnétiques du Soleil ont d’énorme quantité d'énergie stockée en eux. Comme ces champs magnétiques s'emmêlent, ils peuvent céder, libérant du même coup une grande quantité d’énergie dans l’espace. C’est une éruption solaire. Les plus grosses éruptions solaires sont appelées CME (Éjection de Masse Coronale). Si une éruption solaire est comparable à une tempête, la CME est l’équivalent d’un ouragan. Dans les deux cas, des particules de haute énergie sont libérées dans l’espace à très grande vitesse.
Lorsque ces particules frappent la Terre, elles vont en grande partie, être déviées par le champ magnétique terrestre qui nous protège. Cependant, une petite quantité va être absorbée par l'atmosphère, notamment au niveau des pôles. Les réactions entre les particules solaires et l’atmosphère terrestre provoquent un magnifique spectacle : les aurores polaires. Leurs mouvements et leurs formes dépendent des quantités d’énergie mise en jeu et de l’intensité du champ magnétique terrestre. Quant à leur couleur, elles dépendent des gaz qui réagissent.
Cependant, si le spectacle des aurores est fascinant, il n’est pas toujours bénin. Les quantités d'énergie en œuvre peuvent induire de très forts courants d'électricité dans la croûte terrestre. Cela peut surcharger nos réseaux électriques, provoquant des pannes de courant. En 1989, le Québec a subi une panne d'électricité généralisée due à une tempête solaire. La toute première tempête de ce type fut détectée en 1859. Si un tel événement se produisait aujourd'hui, cela pourrait provoquer des pannes de courant dans le monde entier, mettrait l'électronique de nos satellites à rude épreuve, et bloquerait pendant plusieurs jours nos sociétés ultra connectées.
En 2012, une énorme tempête solaire fut observée, d’une puissance probablement égale à celle de 1859. Heureusement pour nous, elle fut éjectée dans une autre direction, et la Terre ne fut pas impactée. Mais cela nous rappelle que le Soleil est maître en son système.
C'est pourquoi l'étude du Soleil est si importante. Nous dépendons de sa lumière et de sa chaleur pour vivre, mais il est tout à fait capable de mettre nos sociétés à genoux. Le comprendre est essentiel pour notre avenir.
POUR RÉSUMÉ :
Le Soleil est une étoile, alimentée par la fusion nucléaire en son cœur.
Le déplacement du plasma à l'intérieur du Soleil crée des champs magnétiques, qui à leur tour provoquent des taches solaires, éruptions solaires et éjections de masse coronale.
Ces événements peuvent générer des aurores sur Terre, mais également provoquer des coupures de courant et endommager nos satellites.
