Pourquoi le soleil est-il devenu silencieux?

Un comportement étrange peut cacher des significations plus profondes au sein de notre étoile.

Par Bruce Dorminey  | Publication: mardi 20 août 2019

SUJETS CONNEXES: LE SOLEIL

Notre Soleil - la source d'énergie qui rend possible la vie sur Terre - a été exceptionnellement calme ces derniers temps. Les astronomes tentent de comprendre pourquoi. 

OBSERVATOIRE DE LA DYNAMIQUE SOLAIRE / NASA

Les observateurs solaires ont fait une course folle au cours de la dernière décennie, essayant minutieusement de comprendre les cycles de taches solaires de plus en plus déroutants de notre étoile naine jaune - ou, plutôt, l'absence de tels cycles.

Le Soleil est censé suivre des cycles d'activité minimale et maximale de 11 ans qui devraient tracer des modèles de décors à peu près comme des mouvements d'horlogerie, donner ou prendre des modèles de taches solaires plus faibles et plus forts, des fusées éclairantes et des périodes d'éjection de masse coronale. Mais le cycle solaire 24, qui a commencé en 2008, et les prévisions pour le cycle 25, qui commencera en 2020, prennent le gâteau pour un comportement anormal. 

Le maximum de taches solaires du cycle 24, qui a commencé près d'un an de retard, semble être le plus petit en 100 ans et le troisième dans une tendance à la diminution de l'activité au sein des cycles de taches solaires. Ainsi, le cycle 25 pourrait probablement être plus petit que le cycle 24.

Le Soleil arbore une douzaine de régions actives sur cette image capturée en mai 2015, une journée inhabituellement active durant la période actuelle d'inactivité relative. L'image ultraviolette extrême a été réalisée avec l'observatoire de la dynamique solaire.

Observatoire de la dynamique solaire / NASA

Prédire un avenir tranquille

«Le principal indicateur [de champ magnétique polaire solaire] utilisé pour le cycle solaire 25 montre que le prochain cycle sera similaire au cycle actuel», explique l'astrophysicien Dean Pesnell du Goddard Space Flight Center de la NASA dans le Maryland. "Cet indicateur a été précis pour les quatre derniers cycles." Malheureusement, les astronomes ne peuvent pas prévoir avec précision le niveau d'activité solaire bien au-delà du prochain maximum, dit Pesnell. Il note que le processus interne qui recycle et amplifie le champ magnétique n'est toujours pas bien compris.

Ce comportement solaire particulier soulève des questions pour les astronomes. Le cycle précédent fait-il allusion à ce que le Soleil a en réserve à l'avenir? Que pouvons-nous attendre pour les deux ou trois prochains cycles solaires? La Terre est-elle destinée à un climat plus froid plutôt qu'à un climat plus chaud? Et notre idée du comportement particulier de notre propre étoile spectrale de type G2 en milieu de vie devrait-elle être modifiée ou même être erronée?

Le cycle 24 est l'un des cycles d'activité solaire et magnétique les plus faibles en plus d'un siècle, explique Edward Guinan, astronome à l'Université de Villanova. Le cycle 24 (et probablement le cycle 25) pourrait faire partie d'un cycle de 100 ans suggéré qui apparaît dans l'enregistrement solaire des taches solaires connu sous le nom de cycle de Gleissberg, dit-il. «L'analyse des tendances et de la force des champs magnétiques indique que le minimum de taches solaires à venir sera très faible et que le [cycle 25] sera également à peu près identique ou même à une activité plus faible que l'actuel», explique Guinan. 

Sans une théorie prédictive de la dynamo solaire - le processus physique qui génère les champs magnétiques du Soleil - on ne sait pas à quoi s'attendre pour les prochains cycles, dit Mark Giampapa, directeur adjoint de l'Observatoire national solaire (NSO) à Tucson , Arizona. «À l'heure actuelle, les champs d'écoulement souterrains semblent indiquer que le cycle 25 sera encore plus faible que le cycle actuel, avec moins de 100 points», dit-il.

Cependant, David Hathaway, astrophysicien au Ames Research Center de la NASA, dit que les cycles ont tendance à grossir de plus en plus sur cinq à six cycles, puis à devenir de plus en plus petits au cours des cinq à six cycles suivants. Il note que le Soleil est actuellement dans une phase d'activité en déclin.

Qu'est-ce qui cause les cycles solaires?

Les cycles solaires dépendent de la création des champs magnétiques du Soleil. Les chercheurs pensent que ces champs sont déclenchés par la rotation différentielle interne de l'étoile - la rotation de l'atmosphère solaire à différentes vitesses, latitudes et profondeurs. Le Soleil tourne plus lentement aux pôles qu'à son équateur. La torsion ou la rotation de ces champs magnétiques dans la photosphère du Soleil (surface visible) peut, à son tour, jouer un rôle dans la génération de taches solaires.

Les astronomes pensent que les champs magnétiques solaires sont générés par des flux dynamiques de plasma électriquement conducteur à l'intérieur du Soleil. Ceci, à son tour, génère des courants électriques qui créent la dynamo active du Soleil, responsable de la génération de champs magnétiques. Les changements de rotation différentielle peuvent cependant affaiblir la dynamo solaire. Et si la dynamo est suffisamment affaiblie, elle peut dégénérer en ce que l'on appelle un Grand Minimum. Le plus connu d'entre eux était ce que l'on appelle le minimum de Maunder, une période de 70 ans d'activité solaire diminuée de 1645 à 1715. Pendant ce temps, les observateurs n'ont souvent enregistré aucune tache solaire pendant des années.

De nos jours, le soleil est actif, mais inhabituel par son manque de taches solaires. Qu'est-ce qui peut causer cela? Le cycle 24 ressemble aux cycles 14 et 15 au début du 20e siècle, dit Giampapa, et il souligne que la vraie question peut être la suivante: qu'est-ce qui a motivé la série précédente de cycles forts que nous appelons le maximum moderne, qui est généralement aurait commencé au cycle 15 en 1914? «Sans une théorie complète de la dynamo solaire, il est difficile de connaître le véritable moteur des cycles de taches solaires faibles», dit-il.

Pendant la majeure partie du 19e siècle, le nombre de taches solaires a tendance à être un peu faible. Mais de 1930 à 1990, le Soleil semblait un peu plus actif que d'habitude. «Il existe une multitude de façons de« prédire »la force d'un cycle solaire, mais la plupart d'entre elles échouent», explique Sarbani Basu, astronome de l'Université de Yale. "Si, comme certains l'ont suggéré, la force du cycle solaire est un phénomène chaotique, il n'y a bien sûr aucun moyen de le prévoir."

Même ainsi, Basu souligne rapidement que le comportement actuel du Soleil n'est guère sans précédent. Le début du XXe siècle a connu de nombreux cycles faibles.

Comment ces cycles de taches solaires sont-ils créés? Dibyendu Nandi, scientifique spatial à l'Institut indien d'éducation et de recherche scientifiques de Calcutta, explique que le cycle se produit lorsque l'énergie des flux de plasma interne du Soleil est convertie en énergie magnétique. Les champs magnétiques polaires (nord-sud) du Soleil, à leur tour, sont construits au cours d'un cycle par le transport vers le pôle du champ magnétique qui émerge à la surface dans les régions de taches solaires actives, explique Hathaway.

Ces champs magnétiques nord-sud traversent la zone de convection du Soleil, où la rotation différentielle les cisaille. Cela signifie que les couches externes tournent plus rapidement à l'équateur et plus lentement aux pôles. «Ces champs cisaillés s'orientent d'est en ouest et deviennent si forts qu'ils émergent à travers la surface dans des régions actives mais avec des polarités est-ouest opposées à celles du cycle précédent», explique Hathaway.

La force d'un cycle, souligne Hathaway, est déterminée par la force des champs polaires du Soleil au début du cycle solaire de 11 ans. La force des champs polaires, à son tour, est déterminée par la force et le nombre de régions actives qui ont éclaté au cours du cycle précédent.

La mission European Solar Orbiter sera lancée en 2018 et fournira une autre grande étape vers la compréhension de notre étoile d'origine.

ESA

Une personnalité magnétique

L'astronome Travis Metcalfe a noté dans un article récent dans The Astrophysical Journal Letters qu'à mesure que les étoiles vieillissent, leur rotation ralentit via un processus appelé freinage magnétique. Metcalfe, l'auteur principal du document et astronome au Space Science Institute de Boulder, Colorado, dit que le Soleil est probablement déjà entré dans une nouvelle phase imprévue, à long terme et plus tranquille de son évolution.

Cette phase relativement calme se déroulerait sur plusieurs centaines de millions d'années, explique Metcalfe. En conséquence, les cycles à court terme du Soleil finiront par disparaître, ajoute-t-il. Mais savons-nous avec certitude que le Soleil a déjà atteint un âge moyen tranquille?

"Pour tester cette hypothèse, nous devons surveiller l'activité de beaucoup plus d'étoiles qui ont été déterminées comme de véritables analogues de notre propre Soleil", explique Giampapa. "La question de savoir si le début d'une phase d'activité solaire semblable à celle-ci a déjà commencé au Soleil est toujours une question ouverte." Les efforts de Metcalfe et de ses collègues ne sont pas pertinents si nous parlons des fluctuations récentes de la force du cycle solaire, dit Basu. "Leur travail implique essentiellement qu'il y a environ 2 milliards d'années ou plus tôt, le Soleil aurait dû être beaucoup plus actif", dit-elle.

Guinan dit qu'en étudiant des étoiles d'âge et de type spectral similaires à notre Soleil, son équipe a conclu que, pour la plupart, ces analogues solaires semblent avoir des rayons X coronaux et une activité chromosphérique et des cycles similaires à notre Soleil. Il note quelques exemples brillants, dont 18 Scorpii, un jumeau solaire à environ 45 années-lumière et Alpha Centauri A à proximité, une étoile de type solaire à environ 4 années-lumière.

Les lignes de champ magnétique émergeant des régions actives du Soleil s'étendent vers l'extérieur comme imagées dans une lumière ultraviolette extrême.

OBSERVATOIRE DE LA DYNAMIQUE SOLAIRE / NASA

Mais Guinan note que des étoiles d'environ 2 milliards d'années de plus que le Soleil, comme 16 Cygni A et B, semblent être entrées dans le genre de faible activité à long terme que Metcalfe et ses collègues ont suggéré. «Nous avons récemment observé 16 Cygni A et B avec l'Observatoire de rayons X de Chandra et à notre grande surprise, nous avons découvert que leurs émissions de rayons X coronaux étaient à peine détectables», explique Guinan. "Nous avons estimé que leurs émissions coronales de rayons X étaient inférieures à un dixième de celles du Soleil."

Un test intéressant de cela, dit Guinan, serait d'observer des étoiles spectrales de type G dans l'amas d'étoiles ouvertes vieilli solaire M67 pour voir si leurs niveaux d'activité, leurs rotations et leur couverture ponctuelle ressemblent ou non au soleil. Le télescope spatial Kepler de la NASA a récemment observé cet important amas, note-t-il, et Guinan dit que lui et ses collègues analysent actuellement les observations Kepler d'étoiles de type solaire dans M67. Des études antérieures sur les étoiles spectrales de type G dans M67 montrent des similitudes de comportement avec le Soleil, dit Guinan.

"Il y a des indications que le Soleil est dans une phase transitoire de son activité de dynamo magnétique, mais [une] qui est susceptible de durer plusieurs millions d'années", dit Hathaway. «Les modèles de la dynamique de la zone de convection du Soleil [couplés] avec la vitesse de rotation actuelle du Soleil ont tendance à produire des équateurs à rotation plus lente et des pôles à rotation plus rapide.» Alors, est-ce un grand minimum d'une sorte?

Hathaway dit qu'il est plus probable que leur travail suggère que ce n'est pas un grand minimum comme le minimum de Maunder, où les taches solaires n'ont pas été vues depuis des décennies, mais plutôt un petit minimum, comme le minimum de Dalton il y a environ 200 ans.

Cependant, Nandi souligne que nous n'avons même pas atteint les niveaux bas observés pendant le minimum de Dalton - qui a constitué quelques cycles faibles de 1790 à 1830 - après quoi le Soleil s'est rétabli de façon spectaculaire. Et les preuves passées contredisent la supposition qu'un couple de cycles faibles, dit Nandi, conduira toujours à un grand minimum.

Nos théories sur le comportement de notre étoile pourraient-elles être erronées ou nécessiter des ajustements? Non, dit Basu. Les idées sur la classification spectrale G2 du Soleil semblent être correctes, dit-elle. «Ce que nous n'avons pas encore réussi à corriger, c'est le comportement des champs magnétiques sur de courtes périodes [comme le cycle solaire de 11 ans]», explique Basu. "Ce dernier est ce que la plupart des physiciens solaires sont occupés à étudier ces jours-ci."

Comme le note Giampapa, une théorie prédictive de la nature et de l'évolution de l'activité magnétique dans le Soleil et les étoiles est incomplète. On ne sait pas encore comment ces cycles faibles affecteront le climat.

«Le récent recalibrage du nombre de taches solaires montre encore plus clairement que l'effet du soleil sur le climat est minime et limité à la variation de 0,1% de la luminosité du soleil (sortie radiative)», explique Hathaway. «Cela donne un petit changement de 0,1 degrés centigrades de la température mondiale - beaucoup trop petit pour produire un« petit âge glaciaire ». "

L'amas d'étoiles M67 dans Cancer peut donner aux astronomes la capacité de mieux comprendre le Soleil, car ses membres âgés comprennent une variété d'étoiles de type solaire.

RICHARD McCOY

Les taches solaires et le climat de la Terre

Mais le manque de taches solaires affecte-t-il le climat? Guinan dit que la seule façon dont il pouvait voir l'activité solaire affecter le climat mondial est via ses effets sur la haute atmosphère de la Terre.

Pendant le cycle solaire, la luminosité du Soleil ne varie que de 0,2%, explique Guinan. Mais il note que l'intensité des rayons X solaires peut varier d'un facteur de six à huit fois tandis que la production solaire dans le spectre ultraviolet lointain peut varier de 20% au cours d'un cycle solaire donné. Donc, si les émissions solaires à haute énergie affectent la thermosphère et la stratosphère de la Terre via un mécanisme de rétroaction amplifié inconnu, cela pourrait affecter la dynamique énergétique de la basse atmosphère de la Terre, même au point de modifier la circulation planétaire et d'induire un petit changement dans les températures mondiales, dit Guinan. Mais de récentes missions spatiales ont permis aux chercheurs d'étudier les liens entre la dynamique solaire interne (à travers des sondes des flux internes du Soleil) et sa sortie magnétique et particulaire. 

Que pouvons-nous faire de plus pour tout comprendre? La puissance de calcul de pointe permet des paramètres physiques de type solaire plus réalistes dans les simulations informatiques. Mais ce qui serait vraiment utile serait une mission spatiale qui puisse observer le champ polaire du Soleil d'en haut ou d'en bas et observer comment il se comporte pendant le cycle solaire de 11 ans, dit Nandi.

Le Solar Orbiter de l'Agence spatiale européenne, qui devrait être lancé en 2018, ferait exactement cela et conduirait à des prévisions plus précises du cycle des taches solaires. Nandi dit qu'une mission dédiée pour étudier la sortie des rayons X des étoiles de type solaire à différents âges de la séquence principale brûlant de l'hydrogène (y compris l'âge du Soleil) serait également utile en termes de détermination de la variabilité du magnétisme stellaire au cours de la vie d'une étoile.

«Nous commençons tout juste à apprécier les façons complexes dont l'activité des étoiles mères influence l'évolution planétaire et l'habitabilité», explique Nandi. Les futures missions telles que Solar Orbiter, Solar Probe Plus de la NASA (dont le lancement est prévu en 2018) et la mission Aditya-L1 de l'ISRO (la première mission de l'Inde pour étudier le Soleil d'ici 2020) devraient contribuer à cette compréhension.

"Mais ce dont nous avons vraiment besoin, c'est d'une expansion des travaux d'observation consacrés à l'enregistrement de la nature à long et à court terme de l'activité dans un échantillon d'étoiles [qui] ressemblent étroitement au Soleil", explique Giampapa. Ensuite, nous avons besoin d'un échantillon complémentaire d'étoiles différent de notre Soleil dans les paramètres clés dont les théoriciens ont besoin pour tester leurs modèles de génération et d'évolution du champ magnétique du Soleil.

Cela aiderait les chercheurs à comprendre l'importance relative de certains paramètres physiques tels que la rotation solaire, la profondeur de la zone de convection, la température effective du Soleil et son âge ou son statut évolutif. La zone de convection du Soleil s'étend sur environ 124 000 miles (200 000 kilomètres) de profondeur jusqu'à la photosphère, où les photons sont créés. «Nous avons besoin de plus de travaux de modélisation sur la dynamique de la zone de convection du Soleil et les effets de la rotation du Soleil sur ces dynamiques», explique Hathaway. "Solar Orbiter [révélera] les détails de la dynamique de la zone de convection souterraine du Soleil."

Mais quel est celui qui a le plus d'impact sur le climat: dynamique solaire ou changement climatique anthropique? «Les questions pertinentes sont de savoir si les effets solaires amplifient ou atténuent les impacts humains», explique Guinan. Nandi, cependant, reste sceptique quant au fait que les caprices des cycles de 11 ans du Soleil ont eu un impact significatif sur le climat de la Terre.

Les physiciens du climat et les modélisateurs du climat ont conclu que l'impact des variations solaires sur le changement de la température mondiale au cours des dernières décennies est bien moindre que celui dû aux facteurs anthropiques, explique Nandi. Tant qu'ils ne comprendront pas beaucoup mieux le Soleil, les chercheurs en énergie solaire ne seront toujours pas en mesure de relier définitivement les points entre le climat sur la terra firma et l'absence ou l'abondance de taches solaires sur notre étoile la plus proche.

Source: http://www.astronomy.com
Lien: http://www.astronomy.com/magazine/2019/08/why-has-the-sun-gone-quiet?utm_source=asyfb&utm_medium=social&utm_campaign=asyfb&fbclid=IwAR3_o4lQ4ie77FsgUX4xrR7OBY16DtDq2wPC7O3ZexMVnbmrMow75jgi8jA