Le Soleil

Quelle est l'étoile la plus proche de la Terre ? C'est le Soleil, bien entendu. Il s'agit d'une sphère gazeuse d'un rayon de 700 000 km et d'une masse de 2 × 10³⁰ kg, dont l'hydrogène constitue les trois quarts. La température centrale est voisine de 15 millions de degrés et permet le déroulement de réactions thermonucléaires de fusion de l'hydrogène en hélium. L'énorme puissance libérée dans le coeur traverse le globe solaire et finit par s'en échapper sous forme notamment de rayonnement visible.

L'astre du jour dans tous ses états

La photosphère

Attention : ne jamais observer le Soleil ni à l'oeil nu ni à l'aide d'un instrument sans une protection appropriée. Des lunettes solaires (même superposées) ou des filtres teintés sont soit inefficaces soit d'emploi dangereux (risque de rupture sous l'effet de la chaleur). Les rayonnements dangereux sont invisibles (infrarouge, ultraviolet). Adressez-vous à un vendeur spécialisé de matériel astronomique ou à un club d'astronomie. À défaut d'être protégé de manière appropriée, l'oeil risque des lésions irréversibles pouvant aller jusqu'à la cécité. Crédit : Big Bear Solar Observatory / New Jersey Insitute of Technology.

Vu depuis la Terre, le disque solaire apparaît nettement délimité et l'on parle dès lors de la « surface » solaire. C'est en fait une fine pelure dont nous parvient le rayonnement solaire ; elle a reçu pour cette raison le nom de photosphère. Sa température est voisine de 5 800 degrés. Crédit : National Optical Astronomy Observatory / Association of Universities for Research in Astronomy / National Science Foundation.

Tache solaire et granulation

Étant donné sa nature gazeuse, la photosphère ne présente pas un aspect immuable. Au contraire, on peut y observer des régions plus froides (4 000 degrés), et donc plus sombres, les taches solaires, ainsi que des régions légèrement plus chaudes, donc plus brillantes, les facules (plus aisées à déceler au voisinage du limbe). En outre, une observation fine permet de détecter la granulation solaire (« grains de riz »), trace de l'incessant bouillonnement de la photosphère, assurant le transfert de l'énergie par convection. Crédit : National Optical Astronomy Observatory / Association of Universities for Research in Astronomy / National Science Foundation.

Éclipse totale de Soleil

Lorsque la Lune s'interpose entre l'observateur terrestre et le Soleil, elle peut en masquer le disque complètement : c'est une éclipse totale de Soleil. Chacun se souvient qu'il a été possible d'en observer une dans le sud de la Belgique le 11 août 1999. À l'occasion d'une éclipse totale de Soleil, de nouveaux visages du Soleil se révèlent. Le Soleil n'est pas limité à la photosphère. On découvre en effet qu'il est entouré d'une vaste région faiblement lumineuse, la couronne, que la photosphère est surmontée d'une mince couche de couleur rouge vif, la chromosphère, dont émanent, voire se détachent, des langues de gaz, les protubérances. Crédit : European Southern Observatory, Philippe Duhoux.

Structures magnétiques

Animation 1 Animation 2

La structure des protubérances solaires est manifestement organisée par les champs magnétiques locaux. Les arches qu'elles dessinent rappellent indéniablement les spectres magnétiques obtenus à l'aide de limaille de fer saupoudrée sur une feuille de papier sous laquelle est placé un aimant. Alors que le champ magnétique global du Soleil est très faible, les champs locaux sont très intenses. Ils sont associés aux taches solaires et aux centres actifs. Les modifications parfois brutales de leurs structures sont des phénomènes violents qui seraient à l'origine du chauffage du plasma ténu de la couronne solaire jusqu'à des températures de l'ordre du million de degrés. Crédit : TRACE. Transition Region and Coronal Explorer (TRACE) est une mission du Stanford-Lockheed Institute for Space Research et fait partie du programme SMEX de la NASA.

L'activité solaire : nombre de Wolf

Les groupes de taches solaires apparaissent et disparaissent sur la photosphère. On a remarqué que le nombre de taches présentes varie cycliquement, avec un maximum environ tous les onze ans. Ce cycle est dit undécennal. Ce graphique illustre l'évolution du nombre de Wolf. C'est une grandeur qui caractérise l'activité solaire (dix fois le nombre de groupes de taches, augmenté du nombre de taches). Crédit : Sunspot Index Data Center (SIDC), Observatoire royal de Belgique (O.R.B.).

L'activité solaire : diagramme en ailes de papillon

Ce diagramme, dit de Maunder, représente la latitude des taches au cours du temps. En raison de l'allure qu'il prend, ce diagramme est encore appelé diagramme en ailes de papillon. On constate qu'au fil du cycle undécennal les groupes de taches apparaissent de plus en plus près de l'équateur solaire, jusqu'à une transition brutale (correspondant au renversement de la polarité du champ magnétique solaire, voir un magnétogramme plus loin), renversement qui marque la fin d'un cycle et le début du suivant. Crédit : Sunspot Index Data Center (SIDC), Observatoire royal de Belgique (O.R.B.).

Le spectre solaire

La spectroscopie est la seule technique qui permette aux astronomes de connaître la constitution chimique des astres (exception faite du Soleil dont nous recevons aussi un flux de particules, le vent solaire, et des planètes qui ont fait l'objet d'une exploration in situ). L'analyse des raies du spectre (longueur d'onde, profil, intensité) permet aussi d'obtenir de très précieux renseignements sur la température, la pression, le champ de gravité à la surface des étoiles, sur leur vitesse radiale et leur vitesse de rotation et l'émission éventuelle d'un vent stellaire. Cette technique permet aussi de déceler la présence d'un corps en orbite autour d'elle (autre étoile ou planète extrasolaire, encore que, actuellement, la technique ne permette de déceler que des planètes massives). Crédit : National Optical Astronomy Observatory / Association of Universities for Research in Astronomy / National Science Foundation.

SOHO : quelques animations

La sonde SOHO (Solar and Heliospheric Observatory), placée en orbite autour du Soleil et située en permanence sur le segment Soleil - Terre, à quelque 1,5 million de kilomètres de celle-ci (point de Lagrange L₁), observe notre étoile en continu. Cette sonde est équipée d'une dizaine d'instruments. Parmi eux, EIT (Extreme ultraviolet Imaging Telescope) obtient des images du Soleil dans l'ultraviolet lointain, tandis que LASCO (Large Angle and Spectrometric Coronagraph) est un coronographe qui observe la couronne solaire. Des animations spectaculaires ont été produites au départ des images transmises par ces deux instruments.

Une semaine d'observation (22-27 nov. 2000)

Nombreuses éjections de matière coronale (LASCO C2). Certaines séquences d'images sont affectées par quantité de « parasites » : il s'agit en fait des traces engendrées sur le détecteur de l'instrument par les impacts des particules éjectées. Crédit : consortium SOHO/LASCO. SOHO est un programme de coopération internationale entre l'ESA et la NASA.

Changements d'aspect du Soleil intervenus dans l'intervalle 1996-2000 (EIT, 19,5 nm)

Une différence notable apparaît progressivement entre une période de minimum de l'activité solaire (1996) et celle d'un maximum (2000). Des centres actifs apparaissent de plus en plus nombreux et des « trous » apparaissent dans la basse couronne. Crédit : consortium SOHO/EIT. SOHO est un programme de coopération internationale entre l'ESA et la NASA.

Comparaison du Soleil entre 1996 et 1999 (EIT, 19,5 nm)

Les mêmes différences sont visibles sur ces animations de la rotation du Soleil. Crédit : consortium SOHO/EIT. SOHO est un programme de coopération internationale entre l'ESA et la NASA.

Régions actives (18-23 février 1999, EIT, 17,1 nm)

Sur cette animation qui couvre près d'un quart d'une rotation du Soleil, on peut observer que les régions actives ne concernent pas uniquement la photosphère, mais aussi la basse couronne par l'entremise des arches de champ magnétique. Crédit : consortium SOHO/EIT. SOHO est un programme de coopération internationale entre l'ESA et la NASA.

Aspects du Soleil à cinq longueurs d'onde différentes

On note qu'en observant des rayonnements de plus en plus énergétiques (provenant de régions de plus en plus élevées où le gaz est porté à des températures de plus en plus grandes), la photosphère paraît de plus en plus sombre. Ce n'est plus elle qui émet, mais le plasma de la couronne. Crédit : consortium SOHO/EIT. SOHO est un programme de coopération internationale entre l'ESA et la NASA.

Deux comètes plongeant vers le Soleil

Deux comètes s'approchant très près de la photosphère solaire ne réapparaissent pas de l'autre côté du Soleil. Constituées pour une très grande part de glaces, elles ont été vaporisées lors de leur passage trop proche. Crédit : consortium SOHO/LASCO. SOHO est un programme de coopération internationale entre l'ESA et la NASA.

Rotation solaire (10-24 décembre 1999, EIT, 19,5 nm)

Étant donné sa nature gazeuse, le Soleil présente une rotation différentielle : la période de rotation dépend de la latitude. Ainsi, à l'équateur, elle est de 25,4 jours, tandis qu'elle avoisine 37 jours dans les régions polaires. Crédit : consortium SOHO/EIT. SOHO est un programme de coopération internationale entre l'ESA et la NASA.

Éjection de matière coronale (20 mars 2000, LASCO C2)

Les éjections de matière coronale sont des phénomènes rapides et violents. Remarquez l'échelle de temps sur laquelle le phénomène se produit, ainsi que l'échelle des distances : le cercle blanc figure le disque solaire, qui mesure 1 396 000 km de diamètre ! À titre d'exercice, on peut essayer de calculer la vitesse de la matière éjectée. Lorsque se produisent de tels phénomènes en direction de la Terre, certains satellites artificiels sensibles doivent être mis en état de veille par mesure de précaution. Crédit : consortium SOHO/LASCO. SOHO est un programme de coopération internationale entre l'ESA et la NASA.

Période active présentant de nombreuses éjections de matière coronale (LASCO C3, 13-29 août 1999)

Outre les éjections de matière coronale, on notera non seulement la présence de nombreuses étoiles à l'arrière-plan, mais aussi leur mouvement par rapport au Soleil, apparence due en réalité au mouvement de révolution de la Terre et de la sonde SOHO autour de lui. Crédit : consortium SOHO/LASCO. SOHO est un programme de coopération internationale entre l'ESA et la NASA.

Magnétogramme (MDI, 30 avril - 22 mai 1998)

Les polarités nord et sud des taches sont représentées en noir et blanc. On remarque que les grandes régions actives présentent en général une structure bipolaire orientée est-ouest. En outre, la polarité de la région qui précède (à l'est) est différente d'un hémisphère à l'autre. À un cycle de 11 ans de l'activité solaire (cycle undécennal), succède un autre cycle au cours duquel les polarités magnétiques sont inversées. Le cycle magnétique du Soleil est donc de 22 ans. Crédit : consortium SOHO/MDI. SOHO est un programme de coopération internationale entre l'ESA et la NASA.

Gros plan sur une protubérance éruptive (EIT, 30,4 nm, 8 janvier 2000)

Les protubérances solaires sont des arches de gaz refroidies par un champ magnétique local calme. Lorsque la structure du champ magnétique se modifie, le gaz peut être éjecté et la protubérance devient éruptive. Crédit : consortium SOHO/EIT. SOHO est un programme de coopération internationale entre l'ESA et la NASA.

Gros plan sur une expulsion de particules (EIT, 14 novembre 1998)

L'éjection de particules est suivie de près par leur impact sur le détecteur de la caméra de la sonde. Elles ont parcouru les 150 millions de kilomètres qui la séparent du Soleil en 110 minutes environ. Leur vitesse est donc d'une vingtaine de milliers de kilomètres par seconde. Crédit : consortium SOHO/EIT. SOHO est un programme de coopération internationale entre l'ESA et la NASA.

Galerie des meilleures images d'arches magnétiques et de protubérances

Plusieurs images fixes d'arches magnétiques et de protubérances présentées en séquence. Pour situer les proportions, il est utile de se rappeler que le diamètre de la Terre est 109 fois plus petit que celui du Soleil. Crédit : consortium SOHO/EIT. SOHO est un programme de coopération internationale entre l'ESA et la NASA.

Gros plan d'une région active et d'un sursaut

Un sursaut d'activité se manifeste au sein d'une région active. Notez la taille de la Terre indiquée par le petit disque blanc. Crédit : consortium SOHO/EIT. SOHO est un programme de coopération internationale entre l'ESA et la NASA.

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