Que faites-vous lorsqu'une méthode éprouvée de détermination de la composition chimique du soleil semble être en contradiction avec une technique innovante et précise de cartographie de la structure interne du soleil ? C'était la situation à laquelle étaient confrontés les astronomes qui étudiaient le soleil - jusqu'à ce que de nouveaux calculs qui ont maintenant été publiés par Ekaterina Magg, Maria Bergemann et leurs collègues, et qui résolvent l'apparente contradiction.

La crise d'abondance solaire qui dure depuis une décennie est le conflit entre la structure interne du soleil telle que déterminée à partir des oscillations solaires (héliosismologie) et la structure dérivée de la théorie fondamentale de l'évolution stellaire, qui à son tour repose sur des mesures de la composition chimique du soleil actuel. composition. Les nouveaux calculs de la physique de l'atmosphère solaire donnent des résultats actualisés pour les abondances de différents éléments chimiques, qui résolvent le conflit. Notamment, le soleil contient plus d'oxygène, de silicium et de néon qu'on ne le pensait auparavant. Les méthodes employées promettent également des estimations beaucoup plus précises de la composition chimique des étoiles en général.

Astrochimie utilisant les spectres

La méthode éprouvée en question est l'analyse spectrale. Afin de déterminer la composition chimique de notre soleil, ou de toute autre étoile, les astronomes se tournent régulièrement vers les spectres :la décomposition en arc-en-ciel de la lumière en ses différentes longueurs d'onde. Les spectres stellaires contiennent des lignes sombres nettes et nettes, remarquées pour la première fois par William Wollaston en 1802, redécouvertes par Joseph von Fraunhofer en 1814, et identifiées comme des signes révélateurs indiquant la présence d'éléments chimiques spécifiques par Gustav Kirchhoff et Robert Bunsen dans les années 1860.

Les travaux pionniers de l'astrophysicien indien Meghnad Saha en 1920 ont lié la force de ces "raies d'absorption" à la température et à la composition chimique stellaires, fournissant la base de nos modèles physiques d'étoiles. La prise de conscience de Cecilia Payne-Gaposchkin selon laquelle les étoiles comme notre soleil se composent principalement d'hydrogène et d'hélium, sans plus que des traces d'éléments chimiques plus lourds, est basée sur ce travail.

Des oscillations solaires qui racontent une histoire différente

Les calculs sous-jacents reliant les caractéristiques spectrales à la composition chimique et à la physique du plasma stellaire sont depuis lors d'une importance cruciale pour l'astrophysique. Ils ont été à la base d'un siècle de progrès dans notre compréhension de l'évolution chimique de l'univers ainsi que de la structure physique et de l'évolution des étoiles et des exoplanètes. C'est pourquoi cela a été un choc lorsque, alors que de nouvelles données d'observation devenaient disponibles et fournissaient un aperçu du fonctionnement interne de notre soleil, les différentes pièces du puzzle ne s'emboîtaient apparemment pas.

Le modèle standard moderne de l'évolution solaire est calibré à l'aide d'un célèbre ensemble de mesures (dans les cercles de physique solaire) de la composition chimique de l'atmosphère solaire, publié en 2009. Mais dans un certain nombre de détails importants, une reconstruction de la structure interne de notre étoile préférée basée sur ce modèle standard contredit un autre ensemble de mesures :les données héliosismiques, c'est-à-dire des mesures qui suivent très précisément les minuscules oscillations du soleil dans son ensemble - la façon dont le soleil se dilate et se contracte rythmiquement selon des schémas caractéristiques, sur des échelles de temps entre les secondes et les heures .

Tout comme les ondes sismiques fournissent aux géologues des informations cruciales sur l'intérieur de la Terre, ou comme le son d'une cloche encode des informations sur sa forme et ses propriétés matérielles, l'héliosismologie fournit des informations sur l'intérieur du soleil.

La crise des abondances solaires

Des mesures héliosismiques très précises ont donné des résultats sur la structure intérieure du soleil qui étaient en contradiction avec les modèles solaires standards. Selon l'héliosismologie, la soi-disant région convective de notre soleil où la matière monte et redescend, comme de l'eau dans une marmite en ébullition, était considérablement plus grande que ne le prévoyait le modèle standard. La vitesse des ondes sonores près du bas de cette région s'est également écartée des prédictions du modèle standard, tout comme la quantité globale d'hélium dans le soleil. Pour couronner le tout, certaines mesures de neutrinos solaires (particules élémentaires éphémères, difficiles à détecter, nous atteignant directement depuis les régions centrales du soleil) étaient également légèrement en retrait par rapport aux données expérimentales.

Les astronomes ont eu ce qu'ils ont rapidement appelé une "crise d'abondance solaire", et à la recherche d'une issue, certaines propositions allaient de l'inhabituel à l'exotique. Le soleil a-t-il peut-être accrété du gaz pauvre en métaux pendant sa phase de formation de planète ? L'énergie est-elle transportée par les particules de matière noire notoirement sans interaction ?

Calculs au-delà de l'équilibre thermique local

L'étude récemment publiée par Ekaterina Magg, Maria Bergemann et leurs collègues a réussi à résoudre cette crise, en revisitant les modèles sur lesquels reposent les estimations spectrales de la composition chimique du soleil. Les premières études sur la façon dont les spectres des étoiles sont produits s'appuyaient sur ce que l'on appelle l'équilibre thermique local. Ils avaient supposé que localement, l'énergie dans chaque région de l'atmosphère d'une étoile avait le temps de se répandre et d'atteindre une sorte d'équilibre. Cela permettrait d'attribuer à chacune de ces régions une température, ce qui conduit à une simplification considérable des calculs.

Mais dès les années 1950, les astronomes s'étaient rendu compte que cette image était trop simpliste. Depuis lors, de plus en plus d'études ont intégré des calculs dits non-LTE, abandonnant l'hypothèse d'équilibre local. Les calculs non-LTE incluent une description détaillée de la façon dont l'énergie est échangée au sein du système - des atomes excités par des photons ou entrant en collision, des photons étant émis, absorbés ou diffusés. Dans les atmosphères stellaires, où les densités sont bien trop faibles pour permettre au système d'atteindre l'équilibre thermique, ce genre d'attention portée aux détails est payante. Là, les calculs non-LTE donnent des résultats nettement différents de leurs homologues d'équilibre local.

Application non-LTE à la photosphère solaire

Le groupe de Maria Bergemann à l'Institut Max Planck d'astronomie est l'un des leaders mondiaux lorsqu'il s'agit d'appliquer des calculs non-LTE aux atmosphères stellaires. Dans le cadre des travaux sur son doctorat. dans ce groupe, Ekaterina Magg a entrepris de calculer plus en détail l'interaction de la matière rayonnante dans la photosphère solaire. La photosphère est la couche externe d'où provient la majeure partie de la lumière du soleil et où les raies d'absorption sont imprimées sur le spectre solaire.

Dans cette étude, ils ont suivi tous les éléments chimiques pertinents pour les modèles actuels d'évolution des étoiles au fil du temps et ont appliqué plusieurs méthodes indépendantes pour décrire les interactions entre les atomes du soleil et son champ de rayonnement afin de s'assurer que leurs résultats étaient cohérents. Pour décrire les régions convectives de notre soleil, ils ont utilisé des simulations existantes qui tiennent compte à la fois du mouvement du plasma et de la physique du rayonnement ("STAGGER" et "CO5BOLD"). Pour la comparaison avec les mesures spectrales, ils ont choisi l'ensemble de données avec la meilleure qualité disponible :le spectre solaire publié par l'Institut d'Astro- et de Géophysique de l'Université de Göttingen. "Nous nous sommes également beaucoup concentrés sur l'analyse des effets statistiques et systématiques qui pourraient limiter l'exactitude de nos résultats", note Magg.

Un soleil avec plus d'oxygène et des éléments plus lourds

Les nouveaux calculs ont montré que la relation entre l'abondance de ces éléments chimiques cruciaux et la force des raies spectrales correspondantes était significativement différente de ce que les auteurs précédents avaient affirmé. Par conséquent, les abondances chimiques qui découlent du spectre solaire observé sont quelque peu différentes de celles indiquées dans l'analyse précédente.

"Nous avons constaté que, selon notre analyse, le soleil contient 26 % d'éléments plus lourds que l'hélium que les études précédentes avaient déduit", explique Magg. En astronomie, ces éléments plus lourds que l'hélium sont appelés "métaux". Seulement de l'ordre d'un millième de pour cent de tous les noyaux atomiques du soleil sont des métaux; c'est ce très petit nombre qui a maintenant changé de 26% de sa valeur précédente. Magg ajoute:"La valeur de l'abondance d'oxygène était presque 15% plus élevée que dans les études précédentes." Les nouvelles valeurs sont cependant en bon accord avec la composition chimique des météorites primitives ("chondrites CI") qui sont censées représenter la composition chimique du tout début du système solaire.

Crise résolue

Lorsque ces nouvelles valeurs sont utilisées comme données d'entrée pour les modèles actuels de structure et d'évolution solaires, l'écart déroutant entre les résultats de ces modèles et les mesures héliosismiques disparaît. L'analyse approfondie par Magg, Bergemann et leurs collègues de la façon dont les raies spectrales sont produites, en s'appuyant sur des modèles considérablement plus complets de la physique sous-jacente, parvient à résoudre la crise de l'abondance solaire.

Maria Bergemann déclare :"Les nouveaux modèles solaires basés sur notre nouvelle composition chimique sont plus réalistes que jamais :ils produisent un modèle du soleil qui est cohérent avec toutes les informations dont nous disposons sur la structure actuelle du soleil :ondes sonores, neutrinos , la luminosité et le rayon du soleil, sans avoir besoin d'une physique exotique non standard à l'intérieur solaire."

En prime, les nouveaux modèles sont faciles à appliquer aux étoiles autres que le soleil. À une époque où des relevés à grande échelle comme SDSS-V et 4MOST fournissent des spectres de haute qualité pour un nombre toujours plus grand d'étoiles, ce type de progrès est en effet précieux - mettant les futures analyses de la chimie stellaire, avec leurs implications plus larges pour les reconstructions de l'évolution chimique de notre cosmos, sur une base plus solide que jamais.

L'étude, "Contraintes d'observation sur l'origine des éléments. IV :La composition standard du soleil", est publiée dans la revue Astronomy &Astrophysics . + Explorer plus loin

Dépassement du noyau contraint par l'absence d'un noyau convectif solaire et de quelques étoiles de type solaire