samedi 7 décembre 2013

Des Cellules de Convection Géantes sur le Soleil

Le soleil, comme les autres étoiles, évacue la chaleur qu’il produit dans son cœur par des réactions de fusion thermonucléaires via des phénomènes de convection. L’hydrogène transporte la chaleur par des mouvements de rotation des couches internes vers les couches externes, avant de retourner vers l’intérieur…
Ces mouvements de convection se traduisent visuellement par l’observation de ce qu’on appelle des granules à la surface du soleil : des structures légèrement plus brillantes que leur environnement et qui ont un aspect de grains. Ces granules ont une taille de l’ordre de 1000 km et persistent environ 10 minutes avant de disparaître et laisser place à de nouveaux granules. Ils sont caractérisés par des vitesses de matière de l’ordre de 3000 m/s.
Granules solaires (Observatoire du Pic du Midi)
C’est à la fin des années cinquante que l’observation plus détaillée du soleil a permis de mettre en évidence de nouvelles structures granulaires bien plus grandes, qui ont été appelées supergranules, des cellules de convection de 30000 km de diamètre de durée de vie étendue à une vingtaine d’heure. C’est notamment en observant les décalages Doppler de raies d’émission issues des couches externes solaires que purent être mises en évidence ces supergranules.
Très peu de temps après la découverte des supergranules solaires, en 1968, il devint évident qu’il devait exister une nouvelle classe de cellules de convection, de taille encore plus importante. Des sortes de cellules géantes plongeant à 200 000 km sous la surface solaire et ayant un diamètre comparable (rappelons que le diamètre du soleil vaut  1 391 000 km).

La durée de vie de ces cellules géantes avait été calculée de l’ordre d’un mois et ces cellules devaient être fortement influencées par la période moyenne de rotation du soleil de 27 jours. Or la rotation du soleil est différentielle : il tourne plus vite à son équateur (25 jours) qu’à ses pôles (35 jours). Les cellules géantes doivent alors montrer une forme très particulière en forme de banane.



Représentation animée des mouvements des supergranules
mettant en évidence les cellules géantes (SDO/NASA)

Granules solaires(Thomas Berger; ISP /
Académie des Sciences royale suédoise)
Des chercheurs du Marshall Space Flight Center de la NASA viennent de mettre en évidence la présence de telles cellules de convection géantes sur le soleil. Ils publient cette semaine leur étude dans la revue Science. David Hathaway et ses collègues ont pour cela suivi le mouvement de supergranules un par un, en faisant l’hypothèse qu’ils devaient être déplacés du centre vers les bords des cellules géantes. Pour évaluer ces mouvements, les astronomes observent le décalage Doppler d’une raie d’émission du fer originaire des basses couches atmosphériques solaires, grâce à l’instrument HMI (Helioseismic and Magnetic Imager) embarqué sur le satellite SDO (Solar Dynamics Observatory) de la NASA.

Ils ont réussi à mettre en évidence la présence de structures de vitesse représentant des motifs évidents de cellules géantes.  Les effets de la rotation du soleil sont clairement visibles  lorsque sont comparées les structures est-ouest et celles orientées nord-sud avec les autres structures : la force de Coriolis produite par la rotation amène les vitesses de flux à être plus parallèles à ces structures allongées.

Ces cellules géantes observées ont une durée de vie pouvant aller jusqu’à trois mois. Les flux de matière dans ces zones de convection tournent dans le sens des aiguilles d’une montre dans l’hémisphère Nord Solaire et dans le sens opposé dans l’hémisphère sud. Elles sont ainsi à l’origine du transport de moment angulaire entre les pôles et l’équateur du Soleil, ce qui apparaît maintenir la rotation rapide de la zone équatoriale.


Référence :
Giant Convection Cells Found on the Sun
David H. Hathaway et al.
Science Vol. 342 no. 6163 pp. 1217-1219 (6 December 2013)