On sait enfin d’où vient l’étrange rotation du Soleil

La rotation de notre Soleil présente des particularités surprenantes qui laissent les astrophysiciens perplexes depuis des siècles. Jusqu’à présent, personne n’a réussi à les expliquer de façon satisfaisante — mais cela vient peut-être de changer grâce aux chercheurs de l’institut Max Planck.

Vu de la Terre sans instrument optique, notre Soleil semble immobile, comme figé dans l’espace. Mais ce n’est pas le cas. Dès le XVIIe siècle, l’illustre Johannes Kepler s’est rendu compte que des taches solaires se déplaçaient à des vitesses différentes en fonction de leur proximité avec l’équateur. Il a donc suggéré que la vitesse de rotation du Soleil n’était pas uniforme, et qu’elle variait en fonction de la latitude : on parle de rotation différentielle.

Et cet éminent théoricien a eu le nez creux. Deux siècles plus tard, d’autres chercheurs dont Richard Carrington — l’astronome qui a donné son nom à la plus grosse éruption solaire de l’Histoire moderne — ont réussi à confirmer l’hypothèse de Kepler. Mais ce grand succès a aussi fait émerger un tas d’autres questions, dont une particulièrement brûlante : pourquoi diable notre étoile se comporte-t-elle ainsi, et quels mécanismes pourraient expliquer cette rotation différentielle ?

L’héliosismologie à la rescousse

Il existe une foule de théories prometteuses, mais à ce jour, personne n’a encore réussi à apporter une preuve rigoureuse. En fait, la réponse est même devenue de plus en plus obscure avec la montée en puissance d’une technique encore assez jeune, l’héliosismologie. Cette dernière consiste à étudier les entrailles du Soleil en se basant sur la propagation d’ondes acoustiques à la surface. Elle a notamment permis aux chercheurs de réaliser que le phénomène n’est pas limité à la photosphère, la couche superficielle de l’étoile que l’on peut observer directement depuis la Terre. En fait, la rotation différentielle se déroule également dans les entrailles de cette énorme boule de gaz surchauffé.

Un constat qui a signé l’arrêt de mort de plusieurs théories prometteuses. Mais tout récemment, cette technique a aussi permis aux chercheurs du prestigieux institut Max Planck, en Allemagne, de mettre le doigt sur un détail qui pourrait faire toute la différence.

En règle générale, les millions d’oscillations que l’on observe au niveau de la photosphère changent de direction à peu près toutes les cinq minutes. Mais en 2021, l’équipe de Laurent Gizon, directeur de la branche de l’institut Max Planck qui étudie le système solaire, a trouvé un nouveau type d’oscillation beaucoup plus long, avec une période de près d’un mois. L’équipe a vite suggéré que ces oscillations de longue durée pourraient être générées par la rotation différentielle du Soleil, sans toutefois réussir à le prouver.

Un gradient de température comme moteur du phénomène

L’équipe de Yuto Bekki, à l’origine de cette nouvelle étude, a donc tenté d’en trouver la preuve. Avec ses collègues, il a lancé une série de simulations très poussées. Ces expériences ont révélé que certaines de ces longues oscillations, celles situées aux plus hautes latitudes, ont un impact particulièrement marqué sur la dynamique du Soleil. En effet, elles ont tendance à équilibrer la température globale de l’étoile en transportant la chaleur des pôles vers l’équateur.

Cela a pour effet de créer un gradient de température stable et très étroit ; il n’y a jamais plus de 7 °C d’écart entre les régions polaires et équatoriales. Une différence qui pourrait sembler infime, sachant que la température moyenne de la surface du Soleil tourne autour des 5600 °C. Mais c’est en fait tout le contraire : ce gradient discret, et par extension les oscillations de longue durée qui en sont à l’origine, semble être le principal moteur de la rotation différentielle.

« Le pôle solaire est environ 7° plus chaud que l’équateur, et cette différence est suffisante pour alimenter des flux à environ 70 km/h sur de larges portions du Soleil. Le processus est relativement similaire à celui qui alimente les cyclones », explique Robert Cameron, co-auteur de ces travaux.

C’est une découverte importante, car il s’agit de l’indice le plus solide à ce jour pour expliquer la rotation différentielle. Certes, il faudra encore le prouver rigoureusement, mais il s’agit déjà d’un vrai pas en avant. Mais ce n’est pas le seul intérêt de ces travaux. Ils montrent également que l’observation de ces oscillations de longue durée est très utile pour analyser ce qui se passe à l’intérieur de l’étoile. Elles pourraient donc servir à identifier d’autres mécanismes fondamentaux de la dynamique du Soleil… et peut-être d’autres étoiles, ce qui pourrait ouvrir la voie à des progrès importants en astrophysique.

Le texte de l’étude est disponible ici.

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