Les flux de plasma chaud à l'intérieur du Soleil créent un motif caractéristique à sa surface :la granulation. Les régions claires et plus sombres de ce motif changent rapidement. La granulation est principalement responsable des variations de luminosité du Soleil qui se produisent en moins de cinq heures. Cette image de la granulation a été prise en 2009 par l'instrument IMaX à bord de l'observatoire solaire en ballon Sunrise. Crédit :MPS
Le soleil brille du ciel, apparemment calme et invariable. En réalité, il ne brille pas toujours avec une luminosité uniforme, mais montre des gradations et des éclaircissements. Deux phénomènes sont à eux seuls responsables de ces fluctuations :les champs magnétiques à la surface visible et les gigantesques courants de plasma, bouillonnant de l'intérieur de l'étoile. Une équipe dirigée par l'Institut Max Planck pour la recherche sur le système solaire à Göttingen rapporte ce résultat dans le numéro d'aujourd'hui de Astronomie de la nature . Pour la première fois, les scientifiques ont réussi à reconstituer les fluctuations de luminosité sur toutes les échelles de temps observées à ce jour – de quelques minutes à plusieurs décennies. Ces nouvelles connaissances ne sont pas seulement importantes pour la recherche sur le climat, mais peut aussi s'appliquer aux étoiles lointaines. Et ils pourraient simplifier la future recherche d'exoplanètes.
Lorsqu'une exoplanète passe devant son étoile mère, l'étoile s'assombrit brièvement. Même à une distance de plusieurs années-lumière, les télescopes spatiaux enregistrent ces changements – et détectent ainsi les exoplanètes. En théorie. En pratique, c'est plus compliqué, comme la luminosité de nombreuses étoiles fluctue, semblable à celui du Soleil.
Ces fluctuations peuvent se superposer aux signaux des exoplanètes qui passent. "Toutefois, si nous connaissons les détails des fluctuations intrinsèques de la luminosité de l'étoile, les exoplanètes peuvent être détectées avec une grande précision, " dit Alexander Shapiro de l'Institut Max Planck pour la recherche sur le système solaire.
Shapiro et ses collègues ont fait un premier pas dans cette direction avec leur article actuel – avec un regard détaillé sur une étoile spéciale :notre Soleil. Depuis le début de l'ère spatiale, de nombreux engins spatiaux ont fourni des données détaillées collectées non affectées par les perturbations causées par l'atmosphère terrestre.
Ces données remettent sérieusement en cause tout modèle décrivant les fluctuations de la luminosité stellaire :les fluctuations mesurées peuvent-elles être reconstruites à l'aide d'un modèle ? Et est-il possible de lier les fluctuations aux propriétés physiques de l'étoile ?
Les champs magnétiques du Soleil sont responsables des variations de luminosité à long terme de notre étoile. A sa surface, ils deviennent perceptibles sous la forme de régions sombres, ce qu'on appelle les taches solaires. Crédit :NASA/SDO
Une difficulté particulière :la luminosité de notre Soleil varie sur des échelles de temps très différentes. Certaines fluctuations ont des cycles de quelques minutes seulement; autres, qui ont un impact sur le climat à long terme de la Terre, ne peut être enregistré que par les chercheurs sur des décennies. Une théorie unifiée englobant toutes ces échelles de temps a jusqu'à présent fait défaut.
Le tour de force de la nouvelle étude réside précisément dans ce point. Cela prouve que seuls deux phénomènes déterminent la luminosité de notre étoile. D'une part, les courants de plasma chaud s'élevant de l'intérieur du Soleil, se refroidissant et s'enfonçant à nouveau dans ses profondeurs. Le chaud, le matériau ascendant est plus brillant que le plasma qui s'est déjà refroidi en surface.
De cette façon, les courants génèrent une caractéristique, motif changeant rapidement de zones claires et sombres, connu sous le nom de granulation. Les structures typiques au sein de cette granulation ont une taille de plusieurs centaines de kilomètres. "La granulation provoque principalement des fluctuations rapides de luminosité, avec des échelles de temps inférieures à cinq heures, ", explique Natalie Krivova, chercheuse et co-auteure de Max Planck.
D'autre part, les champs magnétiques variables du Soleil jouent un rôle déterminant. Pendant les périodes de forte activité, elles sont reconnaissables à la surface visible de notre étoile grâce aux régions sombres (taches solaires) et surtout lumineuses (faculae). Par rapport à la granulation, les deux structures sont très grandes; certaines taches solaires peuvent même être discernées à l'œil nu depuis la Terre. En outre, les variations de leur nombre et de leur forme sont considérablement plus lentes. Les modifications du champ magnétique du Soleil entraînent donc des fluctuations de luminosité sur des échelles de temps de plus de cinq heures.
Pour leurs analyses, les chercheurs ont utilisé des données obtenues à partir d'instruments sur les sondes spatiales SOHO (Solar and Heliospheric Observatory) et SDO (Solar Dynamics Observatory), qui enregistrent les modèles de luminosité et les champs magnétiques à la surface du Soleil depuis des années. À l'aide de ces enregistrements, dont certains couvrent une période de développement solaire de 19 ans, ils ont pu analyser les fluctuations de luminosité et à leur tour les comparer avec des données mesurées obtenues de PICARD et SOHO (obtenues par un autre instrument que celui enregistré le champ magnétique).
Toutes les fluctuations de luminosité mesurées précédemment – à la fois rapides et à très long terme – peuvent être reproduites de cette manière. « Les résultats de notre étude nous montrent que nous avons identifié les paramètres directeurs de notre modèle, " conclut Sami K. Solanki, Directeur à l'Institut Max Planck de recherche sur le système solaire et deuxième auteur de l'étude. "Cela va maintenant nous permettre, finalement, pour modéliser les fluctuations de luminosité d'autres étoiles."
