Au début des années 2000, un nouvel ensemble de données a révisé les abondances chimiques à la surface du soleil, contredisant les valeurs prédites par les modèles standards utilisés par les astrophysiciens. Souvent contestées, ces nouvelles abondances ont fait l’objet de plusieurs nouvelles analyses. Comme ils semblaient se révéler corrects, il appartenait donc aux modèles solaires de s’adapter, d’autant plus qu’ils servent de référence pour l’étude des étoiles en général. Une équipe d’astronomes de l’Université de Genève, Suisse (UNIGE) en collaboration avec l’Université de Liège, a développé un nouveau modèle théorique qui résout une partie du problème : considérer la rotation du soleil, qui a varié dans le temps, et les champs magnétiques qu’il génère, ils ont pu expliquer la structure chimique du soleil. Les résultats de cette étude sont publiés dans Astronomie naturelle.
« Le soleil est l’étoile que l’on peut le mieux caractériser, il constitue donc un test fondamental pour notre compréhension de la physique stellaire. Nous avons des mesures d’abondance de ses éléments chimiques, mais aussi des mesures de sa structure interne, comme dans le cas de la Terre grâce à sismologie », explique Patrick Eggenberger, chercheur au Département d’astronomie de l’UNIGE et premier auteur de l’étude.
Ces observations devraient correspondre aux résultats prédits par les modèles théoriques qui visent à expliquer l’évolution du soleil. Comment le soleil brûle-t-il son hydrogène dans le noyau ? Comment l’énergie y est-elle produite puis transportée vers la surface ? Comment les éléments chimiques dérivent-ils dans le soleil, influencés à la fois par la rotation et les champs magnétiques ?
Le modèle solaire standard
« Le modèle solaire standard que nous utilisions jusqu’à présent considère notre étoile de manière très simplifiée, d’une part, en ce qui concerne le transport des éléments chimiques dans les couches les plus profondes ; d’autre part, pour la rotation et les champs magnétiques internes totalement négligées jusqu’à présent », explique Gaël Buldgen, chercheur au Département d’astronomie de l’UNIGE et co-auteur de l’étude.
Cependant, tout a bien fonctionné jusqu’au début des années 2000, lorsqu’une équipe scientifique internationale a révisé drastiquement les abondances solaires grâce à une analyse améliorée. Les nouvelles abondances ont provoqué de profondes ondulations dans les eaux de la modélisation solaire. Dès lors, aucun modèle n’a pu reproduire les données obtenues par l’héliosismologie (l’analyse des oscillations du soleil), en particulier l’abondance d’hélium dans l’enveloppe solaire.
Un nouveau modèle et le rôle clé de la rotation et des champs magnétiques
Le nouveau modèle solaire développé par l’équipe de l’UNIGE inclut non seulement l’évolution de la rotation qui était probablement plus rapide dans le passé, mais aussi les instabilités magnétiques qu’elle crée. « Il faut absolument considérer simultanément les effets de la rotation et des champs magnétiques sur le transport des éléments chimiques dans nos modèles stellaires. Il est important pour le soleil comme pour la physique stellaire en général et a un impact direct sur l’évolution chimique de l’Univers, étant donné que les éléments chimiques cruciaux pour la vie sur Terre sont cuits au cœur des étoiles », explique Patrick Eggenberger.
Non seulement le nouveau modèle prédit correctement la concentration d’hélium dans les couches externes du soleil, mais il reflète également celle du lithium qui résistait jusqu’à présent à la modélisation. « L’abondance d’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 vite vers le centre de l’étoile ; simultanément, l’abondance de lithium observée à la surface solaire se reproduit aussi car ce même brassage la transporte vers les régions chaudes où elle est détruite », explique Patrick Eggenberger
Le problème n’est pas complètement résolu
Cependant, le nouveau modèle ne résout pas tous les défis soulevés par l’héliosismologie : « Grâce à l’héliosismologie, nous savons à moins de 500 km dans quelle région commencent les mouvements convectifs de la matière, à 199 500 km sous la surface du soleil. Cependant, les modèles théoriques de le soleil prédisent un décalage de profondeur de 10 000 km », explique Sébastien Salmon, chercheur à l’UNIGE et co-auteur de l’article. Si le problème existe toujours avec le nouveau modèle, il ouvre une nouvelle porte de compréhension : « Grâce au nouveau modèle, nous mettons en lumière les processus physiques qui peuvent nous aider à résoudre cette différence critique. »
Mise à jour des étoiles de type solaire
« Nous allons devoir revoir les masses, rayons et âges obtenus pour les étoiles de type solaire que nous avons étudiées jusqu’à présent », explique Gaël Buldgen, détaillant les prochaines étapes. En effet, dans la plupart des cas, la physique solaire est transposée à des études de cas proches du soleil. Par conséquent, si les modèles d’analyse du soleil sont modifiés, cette mise à jour doit 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 devrait s’envoler vers le point de Lagrange 2 (à 1,5 million de kilomètres de la Terre, face au Soleil) en 2026 pour découvrir et caractériser de petites planètes et affiner les caractéristiques de leur étoile hôte.
P. Eggenberger et al, La rotation interne du Soleil et son lien avec les abondances solaires de surface de Li et He, Astronomie naturelle (2022). DOI : 10.1038/s41550-022-01677-0