Le Soleil, une étoile qu’on écoute …

Article niveau fin de collège 👽👽👽

Et oui, surprenant n’est-ce pas ? Pour comprendre la structure profonde du Soleil, on l’écoute ! Mais avant de t’expliquer cela, on va commencer par récapituler simplement un partie des informations connues à ce jour sur ce qu’est le Soleil. Tu nous suis ?

Le Soleil, c’est quoi ?  Ce n’est ni plus ni moins qu’une des nombreuses étoiles de la Voie Lactée, une étoile de taille moyenne âgée de 4,5 milliards d’années et qui en est à peu près à la moitié de sa vie !

Le Soleil, de quoi c’est fait ?
C’est une énorme boule de gaz constituée d’hydrogène et d’hélium d’un diamètre de 1,39 millions de kilomètres mais sans vraiment de limite extérieure bien définie. Et il y fait chaud, très chaud. Mais ça dépend où tu te trouves !
Au centre du Soleil par exemple, dans la zone la plus profonde, c’est là que la matière est la plus comprimée et dense, à cause de la forte gravité. Et bien là, on est à plus de 15 millions de degrés !
En surface, on est beaucoup plus froid mais bon, tout est relatif car la température est tout de même voisine de 6000 °C.

La chaleur et le rayonnement du Soleil, ça vient d’où ?
Tout cela s’explique par des réactions nucléaires qui se produisent au cœur du Soleil ! C’est pour ça, qu’il y fait si chaud, d’ailleurs.
Pour comprendre de quoi il s’agit, il faut revenir à l’atome. Tu te souviens, dans ce précédent billet sur la radioactivité, on t’expliquait ce qu’était un atome.
Petit résumé : au centre d’un atome, se trouve un noyau constitué de charges électriques positives appelées protons et de charges neutres (les neutrons) agglutinées ensemble.
Autour du noyau, des électrons qui eux ont une charge négative, tourbillonnent à grande vitesse à une certaine distance du noyau.
« Nucléaire » ça vient du latin « nucleus » qui signifie « noyau ».
Donc des réactions nucléaires, ce sont des transformations qui se produisent au niveau du noyau des atomes.

Sous certaines conditions, un noyau peut « fusionner » avec un autre noyau , c’est-à-dire qu’ils se regroupent pour donner naissance à un nouveau noyau plus gros : on dit « plus lourd ». Cela ne fonctionne que pour les atomes légers, avec peu de protons. C’est ce qu’on appelle le phénomène de « fusion nucléaire« .

Quel est le problème ? Comme on l’a expliqué, au centre de l’atome, c’est là que siègent les protons de charge positive, donc comme tu l’imagines, ils se repoussent !
Mais au sein des étoiles, notamment en leur cœur, là où les températures et les pressions sont si élevées (à cause de la forte gravité), les éléments de la matière sont très très proches et la répulsion entre noyaux est vaincue car d’autres phénomènes (complexes à expliquer) rentrent en jeu et la fusion nucléaire peut alors se produire !

Dans le soleil, il y a beaucoup d’hydrogène. Et au centre, la matière est si dense que les noyaux d’hydrogène qui possèdent chacun un proton et un neutron, peuvent fusionner ensemble (cela se passe en plusieurs étapes) et donner un autre atome contenant 2 protons et 2 neutrons. Et un tel noyau correspond à l’hélium !
Bien sûr tous les atomes d’hydrogène ne fusionnent pas entre eux, seule une petite partie le fait ! Le Soleil consomme donc sa réserve lentement !

Mais le compte n’y est pas.
Normalement, en toute logique, toute la masse d’hydrogène consommée pour la fusion devrait être égale à la masse d’hélium fabriquée ! Mais ce n’est pas le cas : on retrouve moins d’hélium que prévu… Il y a donc eu perte de masse en cours de route !
La différence de masse correspond à de l’énergie produite sous forme de rayonnement et de particules … Et c’est d’ailleurs, la fameuse relation d’Einstein  E = mc²  qui explique que l’énergie est équivalente à une masse.

Ainsi, on récapitule : au centre du soleil, la pression et la température sont suffisamment fortes pour permettre la fusion des noyaux d’hydrogène. Cela donne naissance à de l’hélium et dégage une énorme quantité d’énergie : du rayonnement (de la lumière visible, des ultra-violets, des rayons gamma* etc. ) mais aussi des particules (qu’on appelle le vent solaire) et bien sûr, une grande quantité de chaleur.

Donc peu à peu, notre Soleil consomme ses réserves d’hydrogène et c’est ce qui détermine sa durée de vie ! On en a encore pour à peu près 6 milliards d’années devant nous.

*on en reparlera dans un prochain billet !

Comprendre la structure interne du soleil en l’écoutant
Les astrophysiciens tentent de comprendre les secrets de notre Soleil. Bien sûr, ils pourraient étudier les rayonnements produits par les réactions nucléaires. Mais ceux-ci mettent beaucoup de temps pour atteindre la surface du Soleil, ça se compte en millions d’années ! Donc ceux qu’on peut observer à partir de la surface n’ont plus les caractéristiques utilisables permettant de comprendre dans les détails ce qui se passe dans le noyau.

Depuis quelques années, les astrophysiciens utilisent pour étudier le Soleil, des méthodes employées sur Terre pour d’autres sujets notamment la sismologie, un domaine d’études permettant de comprendre comment se déplace une onde sismique (c’est-à-dire les vibrations de la Terre lors d’un séisme). Cette méthode s’appelle « l’Héliosismologie« .

Tu sais ce qu’est un son ? Nous l’avions expliqué dans ce billet. Le son correspond à une vibration qui se transmet dans un milieu suite à une perturbation, tout comme lorsque tu lances un caillou dans l’eau.

Or, la surface du Soleil subit pas mal d’agitation, de turbulence (en particulier à cause des phénomènes liés à la fusion nucléaire au cœur mais aussi d’autres choses). On a repéré ce phénomène depuis les années 60.

Toute cette turbulence génère des ondes sonores qui se propagent dans toutes les directions. Une partie se propage donc vers le cœur du Soleil et cette propagation est plus ou moins facile selon le milieu : s’il y a des zones plus denses, l’onde est ralentie par exemple.
Donc en étudiant les caractéristiques de certaines de ces ondes, de ces « sons » notamment la vitesse à laquelle elles se propagent, les astrophysiciens peuvent en déduire une description assez précise de ce qui se trouve au cœur du Soleil, partie qu’on connaît peu.

En résumé, le Soleil vibre et émet des milliers de notes, plutôt très graves. En écoutant ces notes, on parvient à comprendre la structure interne du Soleil 😉

Autres ressources :
Site du CEA

Auteur : Pascale Baugé du blog « Le Monde et Nous«