Le ciel à découvert

Jean Audouze (dir.)

DOI : 10.4000/books.editionscnrs.11516

Éditeur : CNRS Éditions

Année d'édition : 2010

Date de mise en ligne : 19 octobre 2017

Collection : À découvert

ISBN électronique : 9782271119179

http://books.openedition.org

Édition imprimée

ISBN : 9782271069184

Nombre de pages : 324

Référence électronique

AUDOUZE, Jean (dir.). Le ciel à découvert. Nouvelle édition [en ligne]. Paris : CNRS Éditions, 2010 (généré le 18 septembre 2020). Disponible sur Internet : <http://books.openedition.org/editionscnrs/11516>. ISBN : 9782271119179. DOI : https://doi.org/10.4000/books.editionscnrs.11516.

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Un tour d’horizon de l’astrophysique contemporaine. Une synthèse fondamentale, sans précédent, ouverte à tous. Les plus récentes découvertes présentées par les meilleurs spécialistes.

Le Soleil et l’ensemble du système planétaire. Les étoiles et le milieu interstellaire. Les galaxies et les grandes structures de l’Univers. La cosmologie... Où en est l’astronomie, aujourd’hui ? Quelles révolutions a-t-elle traversées ? Qu’en est-il de la Terre ? De la vie, ailleurs, dans l’Univers ? De la recherche d’exoplanètes ? Des moyens les plus récents et les moins conventionnels d’observer le ciel ? Qu’en sera-t-il, demain, des savants, de leurs laboratoires, de leurs instruments, de leurs méthodes, de leurs découvertes ?

Voici, enfin, un panorama complet et inédit sur la façon dont les astrophysiciens voient et comprennent ce Monde qui est le nôtre.

Jean Audouze

Jean Audouze est directeur de recherche émérite au CNRS à l’Institut d’Astrophysique de Paris (IAP) et à l’université Pierre et Marie Curie. Il est également conseiller pour le mécénat scientifique auprès de la Présidente du CNRS. Il est actuellement président par interim de la Commission nationale française pour Unesco. Ses recherches portent sur la nucléosynthèse, l’évolution chimique des galaxies et la cosmologie. Il a dirigé l’IAP et le Palais de la découverte ; il a été conseiller scientifique à la Présidence de la République et a présidé le Parc et la Grande Halle de la Villette. Il a enseigné l’astrophysique à l’École polytechnique et les sciences exactes à Sciences Po. Il reçut le prix Kalinga-Unesco 2004 pour l’ensemble de ses activités de divulgation de la science et est l’auteur d’une douzaine d’ouvrages.

Sommaire

Avant-propos

Jean Audouze

Première partie. Le Soleil et le Système solaire

1. Le Soleil, une étoile dans notre Galaxie

Jean-Claude Vial

Un portrait chiffré

Son rayonnement

La source interne de ce rayonnement

Granulation… et champ magnétique

La couronne solaire

Les filaments et protubérances solaires

Les éruptions solaires

Les Ejections de Masse Coronales (ou CME)

Le Soleil, une étoile magnétique

Le Soleil et la vie sur Terre

2. Disques protoplanétaires et formation planétaire

Aurélien Crida et Alessandro Morbidelli

Introduction

Disques proto-planétaires

Formation planétaire

Migration planétaire

Architecture du Système solaire et Grand Bombardement Tardif : le modèle de Nice

Conclusion

3. Vénus, la planète chaude

Jean-Loup Bertaux

La planète du soir ou du matin

Le sol de Vénus : géographie et topographie

La température dans l’atmosphère de Vénus

Composition chimique de l’atmosphère et des nuages

Un effet de serre massif

Voir le sol dans la nuit

Éclairs et volcans

Histoire de l’eau

4. La planète Mars

Jean-Pierre Bibring

5. Les planètes géantes

André Brahic

Des atmosphères déchaînées

Des magnétosphères variées

Des intérieurs sous pression

Des satellites surprenants

Des anneaux étonnants

Un processus de formation particulier

Le futur

6. Comètes et petits corps du Système solaire

Anny-Chantal Levasseur-Regourd

Les petits corps du Système solaire au travers des siècles

Orbites et dénominations

À la découverte des propriétés des comètes

Destins cométaires

Plus loin dans l’espace

Un peu plus loin dans le temps

Deuxième partie. Les étoiles et le milieu interstellaire

7. L’évolution des étoiles

Jean-Paul Zahn

Comment caractériser les étoiles

La source d’énergie

Modéliser l’étoile

La formation des étoiles

L’évolution du Soleil

Les phases avancées

La vie d’une étoile massive

Étoiles de faible masse – naines brunes

Les premières étoiles

Vers une nouvelle génération de modèles

8. Sismologie solaire et stellaire

Eric Fossat

Introduction

Le modèle de l’intérieur solaire

Méthodes de mesure

Flash back sur les années 1960

Explosion dans les années 1980

Le Soleil est instrument et interprète. Qui compose sa musique ?

Des mesures au modèle solaire ou stellaire

La rotation solaire

Asterosismologie

En guise de conclusion

9. Les supernovae

Robert Mochkovitch

Une longue histoire

La classification spectrale des supernovae

La courbe de lumière des supernovae

Populations parentes et fréquence des supernovae

Bilan énergétique

Premières idées théoriques

Les supernovae de type Ia

Les supernovae de type II, Ib et Ic

Conclusion

10. Les sursauts gamma

Frédéric Daigne

La découverte

La question de l’échelle de distance

Modéliser les sursauts gamma

Utiliser les sursauts gamma pour mieux connaître l’Univers

Conclusion

11. L’espace interstellaire

François Boulanger

Notre environnement interstellaire

Voyager à sa rencontre

Un environnement durable

Un espace magnétisé

Un univers moléculaire

Les étoiles naissent du froid

Observer la matière froide

Une complexité moléculaire étonnante

La matière proto-planétaire

Où sont les atomes de l’Univers

12. La nucléosynthèse

Jean Audouze

La nucléosynthèse stellaire

La production des éléments légers (lithium, béryllium et bore) par interaction entre les rayons cosmiques et le milieu interstellaire

Les neutrinos et la nucléosynthèse

La spectroscopie gamma nucléaire

Les chronologies déduites des éléments radioactifs à longue durée de vie

Remarques finales

Troisième partie. Les galaxies et les grandes structures de l’Univers

13. À la découverte de la Galaxie

Jean Kovalevsky

14. Les galaxies

Laurent Vigroux

Qu’est-ce qu’une galaxie ?

Le cycle d’évolution d’une galaxie

Les mécanismes en œuvre

La formation d’étoiles : le moteur de l’évolution

La régulation du cycle d’évolution

Troubles de voisinage

Conclusion

15. La formation et l’évolution des galaxies

Stéphane Charlot

Les diagnostics de l’histoire de formation des galaxies

Les premières lueurs

Évolution de la population de galaxies

Le milieu intergalactique : un réservoir de baryons

La co-évolution des galaxies et des trous noirs

Le destin inéluctable des galaxies

16. Grandes Structures et Matière Noire

Françoise Combes

Grandes Structures

Matière noire

Composants de l’Univers

Simulations numériques

Problèmes à petite échelle

Modifier la gravité

17. Quasars et Noyaux Actifs de Galaxies

Suzy Collin-Zahn

Une découverte inattendue, qui donne lieu à des controverses passionnées

Des trous noirs géants qui sont loin d’être noirs !

De l’importance du regard sur l’apparence

L’invasion des trous noirs géants

18. Les trous noirs

Alain Riazuelo

Pourquoi ne peut-on pas s’échapper d’un trou noir ?

La découverte des trous noirs

Formation des trous noirs

La difficile mise en évidence des trous noirs

Les étranges distorsions causées par les trous noirs

19. Arcs et lentilles gravitationnelles

Yannick Mellier

Les lentilles gravitationnelles

Voir l’invisible

Les distorsions gravitationnelles à l’assaut de la cosmologie

L’observation des distorsions gravitationnelles cosmologiques

Quatrième partie. L’Univers dans son ensemble

20. Vous avez dit Big Bang ?

Jean-Philippe Uzan

Modèles cosmologiques

Les hypothèses du modèle du Big Bang

Les Big Bangs

Vers une physique de l’Univers primordial

Au-delà de l’Univers

Vous avez dit Big Bang ?

21. Au-delà des dimensions sensibles de l’espace

Michel Cassé

22. Le nouveau regard de Planck sur la plus vieille image du monde

François R. Bouchet

23. La nucléosynthèse primordiale

Élisabeth Vangioni

Introduction

Les tout premiers instants

Ère de la nucléosynthèse primordiale

Abondances primordiales : observations comparées aux modèles

Le problème du lithium

Conclusion

Cinquième partie. Sommes-nous seuls ?

24. Exo-planètes et vie extraterrestre

Alfred Vidal-Madjar

Introduction

La formation d’un système planétaire

Les méthodes de détection

Résultats et bilans

La vie extraterrestre ?

25. L’exobiologie ou la recherche de vie extraterrestre

André Brack

Qu’est-ce que la vie ?

L’eau, berceau de la vie

La production des molécules organiques de la « soupe primordiale »

Support expérimental de l’apport extraterrestre

Comment la matière peut-elle se mettre à vivre ?

Les signatures de la vie

À la recherche d’une vie extraterrestre

Où chercher ?

Conclusion

Sixième partie. De nouveaux regards sur le ciel

26. Espace et astronomie

Roger-Maurice Bonnet

La révolution astronomique de l’espace

Spécificités de l’astronomie spatiale

Principales contributions de l’espace à l’astronomie

Quel avenir pour l’astronomie spatiale ? Les enjeux

Conclusions

27. L’astronomie X

Monique Arnaud, Didier Barret et Anne Decourchelle

Introduction

Évolution des techniques de détection

Radiographie en périphérie des trous noirs

Restes de supernovae

Les grandes structures de l’Univers : amas de galaxies

Perspectives

28. L’astronomie gamma

Jacques Paul

L’astronomie de l’extrême

L’astronomie de l’impossible

La longue gestation de l’astronomie γ

Des télescopes à nuls autres pareils

Sources γ d’origine stellaire

Les sources interstellaires de photons γ

L’émission γ des noyaux actifs de galaxies

29. Les rayons cosmiques de ultra-haute énergie

Martin Lemoine

Le rayonnement cosmique

Un peu d’histoire… de Pierre Auger à nos jours

Au cœur du mystère…

Une escapade exotique en physique

Les grands accélérateurs astrophysiques

L’Observatoire Pierre Auger

Et demain ?

30. Les nouveaux messagers non photoniques

Étienne Parizot

31. L’astronomie du futur

Martin Giard

Introduction

Les grands collecteurs de photons

Les télescopes des nouveaux messagers

Conclusion

Les auteurs

Avant-propos

Jean Audouze

L’Union astronomique internationale et l’Unesco ont convaincu les Nations unies de proclamer « Année mondiale de l’astronomie » l’année 2009. Cette année fût, en effet, marquée par le 400e anniversaire de la lunette astronomique de Galilée, et donc le début de l’instrumentation en astronomie. On célébra également le 50e anniversaire de la mission Apollo qui permit à quelques cosmonautes américains de marcher sur la Lune. Cette Année mondiale, organisée en France par Anny-Chantal Levasseur Regourd et Françoise Combes, toutes deux coauteurs du présent ouvrage, a donné lieu dans le monde entier et partout en France à de très nombreuses manifestations, conférences, observations du ciel, expositions telles que celle intitulée « Les mystères de l’Univers », organisée par le CNRS qui se tint dans les jardins du Trocadéro à Paris en octobre et novembre 2009. Le Comité international des Recherches spatiales et l’Unesco clôturèrent cette année mondiale les 14 et 15 janvier 2010 par un colloque intitulé « La contribution de la Recherche spatiale à l’Astronomie ». Plusieurs chapitres de ce livre (1, 3, 4, 5, 6, 13, 16, 22, 24, 26, 27, 28 et 31) reflètent les présentations et les discussions de ce colloque.

Le 14 mai 2009, l’Agence spatiale européenne lança grâce à la fusée Ariane 5 deux missions astronomiques de premier plan, d’une part la mission Herschel qui doit scruter le ciel dans l’infra rouge lointain, d’autre part la sonde Planck-Surveyor qui va mesurer et analyser avec une précision inégalée les faibles irrégularités du fond diffus dans le but de tenter de comprendre le passé lointain (le fameux Big Bang) de l’Univers : grâce à Planck, on peut dire que nous allons disposer de la meilleure photographie possible de notre Univers lors de ses premiers balbutiements, quand il n’était âgé que de 380 000 ans. Un des responsables de cette mission, François Bouchet consacre le chapitre 22 de ce livre à son propos.

Le projet de cet ouvrage fût conçu au cours de cette année anniversaire. Il me fût facile de convaincre Jean-François Colosimo, directeur de CNRS Editions, de publier un livre rassemblant les résultats les plus récents de l’astrophysique auxquels le CNRS, son Institut des Sciences de l’Univers (l’INSU) les organismes associés (CEA, CNES, Observatoire de Paris-Meudon, Observatoire de Nice, Universités de Paris 6, 7, 11, de Versailles et Saint Quentin.) sans oublier mon propre institut, l’Institut d’Astrophysique du CNRS et de l’Université Pierre et Marie Curie, ont contribué. Je souhaite le remercier ainsi que son équipe (dont Marie Bellosta et Élodie Gesnel) pour avoir rendu possible la production d’un ouvrage copieux et richement illustré rassemblant les dernières nouvelles du ciel. Je suis également très heureux et fier d’avoir réussi à rassembler autour de la production de ce livre mes collègues et amis qui sont parmi les astrophysiciens les plus réputés non seulement en France mais aussi au plan international. Je tiens à les remercier tous d’avoir bien voulu écrire chacun des chapitres de cette « saga céleste ». On trouve à la fin de l’ouvrage quelques lignes biographiques concernant chacun(e) des auteurs de ce livre collectif pour que vous puissiez un peu les connaître. Nous avions collectivement l’ambition de donner à lire un ouvrage à la fois clair et pédagogique qui fasse un point aussi complet que possible sur l’ensemble des résultats les plus actuels, obtenus dans nos observatoires et laboratoires concernant l’ensemble de l’astronomie et l’astrophysique. Les lecteurs nous diront, j’espère, si nous y sommes parvenus.

Les trente et un chapitres de ce livre sont répartis dans six sections : la première est consacrée au Soleil et au Système solaire. On pourra constater à quel point nos connaissances dans ce domaine sont en train de progresser, singulièrement grâce aux missions spatiales consacrées au Soleil lui-même et à l’exploration planétaire. La deuxième partie évoque les étoiles et le milieu interstellaire : dans son chapitre 8, Eric Fossat expose tout ce que l’on apprend en étudiant les tremblements solaires et stellaires et François Boulanger fait le point sur un sujet à la fois fondamental et complexe, représenté par l’analyse du milieu interstellaire.

La troisième section de l’ouvrage traite des galaxies et des grandes structures de l’Univers. On peut constater que ce domaine a été révolutionné grâce à l’accès aux grands instruments que sont par exemple le VLT (le très grand télescope de 4 x 8 m) du mont Paranal (Chili) de l’Observatoire européen austral (ESO) et bien sûr grâce aussi au téléscope spatial Hubble. La Relativité Générale d’Einstein nous apprend que la matière influence les trajectoires de la lumière. Les chapitres d’Alain Riazuelo et de Yannick Mellier, respectivement consacrés aux trous noirs et aux arcs et lentilles gravitationnelles dérivent directement de cet effet physique fondamental. La quatrième partie concerne la cosmologie, c’est-à-dire l’étude de l’Univers dans son ensemble. Les quatre chapitres rassemblés ici démontrent que cette discipline qui donnait lieu dans le passé à des développements mathématiques et/ou philosophiques a acquis récemment un véritable statut astrophysique. La cosmologie est maintenant une branche de la physique à part entière comme le montrent les rapprochements très féconds entre la physique des particules élémentaires et celles des grandes structures de l’Univers.

Dans la cinquième partie, Alfred Vidal-Madjar et André Brack font le point des recherches concernant l’apparition de la vie sur Terre et évoquent ce que l’on fait pour chercher à savoir si nous sommes seuls ou non. L’ouvrage se termine par la section intitulée « de nouveaux regards sur le ciel » à l’intérieur de laquelle on évoque les astronomies non conventionnelles qui ont véritablement débuté avec l’ère spatiale comme l’astronomie X par Monique Arnaud, Didier Barret et Anne Decourchelle et l’astronomie gamma par Jacques Paul. Martin Lemoine fait le point sur les recherches concernant les rayons cosmiques et Etienne Parizot sur l’ensemble des messagers non photoniques tels que les neutrino ou les ondes gravitationnelles… Roger Bonnet, qui est à l’origine de la programmation scientifique de l’Agence spatiale européenne, expose tout ce que l’astronomie doit à l’espace et finalement Martin Giard nous projette dans les prochaines décennies avec l’évocation de plusieurs projets futurs. On pourra constater à la lecture de cet ouvrage combien tous ces chapitres sont liées entre eux : les relations entre les différents sujets constituant l’astrophysique actuelle sont très fortes et se manifestent de façon assez évidente tout au long du livre.

Quatre cents ans après les premières observations du ciel effectuées par Galilée avec un instrument passablement rudimentaire, l’astronomie et l’astrophysique ont accompli des progrès fantastiques. La raison principale de ces succès immenses vient de l’instrumentation et de l’informatique qui ont donné année après année des moyens d’observation et d’analyse de plus en plus performants aux chercheurs de cette discipline. Et, comme le décrit bien Martin Giard, d’autres progrès, d’autres découvertes sont encore à venir. En ce qui concerne l’astronomie française, la bonne santé de ce secteur d’activité est due à l’organisation du CNRS et de l’INSU, à l’activité de ses personnels et aux partenariats qu’il a su nouer avec les observatoires, les universités et les autres organismes impliqués que sont le CEA et le CNES. C’est aussi pour cette raison que nous avons souhaité publier ce livre dans la maison d’édition de notre organisme.

Nous avons écrit ce livre en pensant à tous ceux qui sont fascinés par le ciel, jeunes ou moins jeunes, membres d’associations d’astronomie amateur, lycéens ou étudiants qui se sentent attirés par la recherche scientifique, en particulier, l’astronomie et l’astrophysique… en bref tous ceux qui souhaitent savoir ce qu’il y a au dessus de nos têtes et comment tout cela évolue et fonctionne. Comme nous avons cherché à le montrer, il y a beaucoup de sujets évoqués ici qui vont évoluer au cours des prochaines années en raison de la programmation des futures missions spatiales et de l’aboutissement des projets de télescopes au sol, encore plus grands et dotés d’instrumentations encore plus performantes. Les élèves des collèges et des lycées et les étudiants d’aujourd’hui auront beaucoup de chance s’ils parviennent à se joindre à la communauté des astrophysiciens au moment où ces moyens deviendront disponibles. Nous espérons, enfin, avoir donné de nos recherches un exposé abordable par tous. Je vous invite donc à « découvrir » le ciel avec nous.

Fig. 1 et 2 – Le projet ALMA consiste en un réseau de 80 antennes capables de scruter le ciel dans le domaine des ondes millimétriques et submillimétriques. ALMA va être l’instrument le plus performant pour observer l’Univers froid tel que le gaz interstellaire ou le rayonnement fossile à 2,7 K. Ce projet est complètement international puisqu’il fait intervenir la communauté astronomique du monde entier sur ce haut plateau du Chili

Auteur

Jean Audouze

Directeur de recherche émérite au CNRS à l’Institut d’Astrophysique de Paris (IAP) et à l’université Pierre et Marie Curie. Il est également conseiller pour le mécénat scientifique auprès de la Présidente du CNRS. Il est actuellement président par interim de la Commission nationale française pour Unesco. Ses recherches portent sur la nucléosynthèse, l’évolution chimique des galaxies et la cosmologie. Il a dirigé l’IAP et le Palais de la découverte ; il a été conseiller scientifique à la Présidence de la République et a présidé le Parc et la Grande Halle de la Villette. Il a enseigné l’astrophysique à l’École polytechnique et les sciences exactes à Sciences Po. Il reçut le prix Kalinga-Unesco 2004 pour l’ensemble de ses activités de divulgation de la science et est l’auteur d’une douzaine d’ouvrages

Première partie. Le Soleil et le Système solaire

1. Le Soleil, une étoile dans notre Galaxie

Jean-Claude Vial

Par une belle nuit sans Lune (et sans nuages), levons les yeux vers le ciel. L’œil est immédiatement attiré par le cortège d’étoiles brillantes qui a donné son nom à la Voie lactée. Il s’agit en fait d’une galaxie de près de 200 milliards d’étoiles qui abrite notre Soleil et ses planètes, c’est notre galaxie, « la » Galaxie, comme une île dans le vaste cosmos.

La Galaxie : ses 150 à 200 milliards d’étoiles sont réparties selon des bras spiraux autour d’un noyau central et pour la plupart confinées dans un disque lenticulaire (de type « soucoupe volante »), un disque que la lumière met près de 100 000 ans à traverser à la vitesse de 300 000 km/s : on parle d’une distance de 100 000 années-lumière. Et notre Soleil : un peu « perdu » à plus de 30 000 années-lumière du centre de la Galaxie. Et un peu banal, aussi, par rapport à l’extraordinaire diversité des autres étoiles, y compris par sa couleur jaune, qui contraste avec celle des étoiles de nos constellations familières (Aldebaran rouge, Vega blanc-bleu…), par sa masse et son âge.

Mais c’est notre étoile, celle que les Égyptiens espéraient chaque jour voir réapparaître dans le ciel, pour apporter, depuis sa barque, lumière et chaleur. Une étoile dont les mystères ont commencé à être élucidés par Galilée et sa lunette, il y a près de quatre cents ans, mystères que les outils modernes d’observation, au sol puis dans l’espace, n’ont cessé de percer.

Qu’en savons-nous aujourd’hui ?

Un portrait chiffré

Le Soleil est né, il y a quelque 4,5 milliards d’années, de l’effondrement d’un immense nuage de gaz interstellaire. C’est aujourd’hui une sphère de 1 392 000 km de diamètre (soit près de 110 fois celui de la Terre) et de masse 1,989.10³⁰ kg (soit près de 330 000 fois celle de la Terre). Cette sphère gazeuse est constituée essentiellement d’hydrogène et d’hélium et sa densité moyenne est de l’ordre de 1 410 kg.m⁻³, plus faible que celle de la Terre solide mais bien plus élevée que celle de l’atmosphère terrestre.

La température à la surface est de 5 770 K, celle du centre estimée à quinze millions de K. C’est de ce cœur où se produisent des réactions nucléaires par fusion de noyaux d’atomes d’hydrogène en hélium que le Soleil tire son énergie. La densité y atteint 151 000 kg. m⁻³ et la pression s’y élève à 2,33 10¹¹ bar, soit 233 milliards de fois la pression atmosphérique terrestre.

La distance Terre-Soleil varie de 147,1 millions de kilomètres en janvier à 152,1 millions de kilomètres en juillet. La valeur moyenne de cette distance, nommée Unité Astronomique, sert de référence pour comparer les orbites des planètes du Système solaire (1 UA = 149 597 900 km). Cette distance considérable ne doit pas faire oublier que le Soleil est l’étoile la plus proche (cent mille fois plus proche que Proxima du Centaure) que l’on puisse observer.

Le Soleil est le plus gros objet du Système solaire dont il représente près de 99,8 % de la masse totale. En nombre d’atomes, il contient 92,1 % d’hydrogène, 7,8 % d’hélium, les 0,1 % restants étant constitués de carbone, azote, oxygène et également de métaux.

Le Soleil tourne sur lui-même en 25,4 jours environ, autour d’un axe incliné de 82°49’par rapport au plan de l’écliptique (plan de l’orbite de la Terre). Comme son sens de rotation est le même que le sens de révolution de la Terre et des autres planètes autour de lui, il paraît tourner plus lentement vu de la Terre (27,5 jours environ). Sa rotation est aussi différentielle : beaucoup plus rapide à l’équateur (24,6 jours) qu’au voisinage des pôles (35 jours).

Son rayonnement

Outre la connaissance de sa masse et de son diamètre, l’essentiel de l’information acquise sur le Soleil vient de l’étude de son rayonnement, par ailleurs crucial pour la vie sur Terre.

Sa luminosité (ou énergie lumineuse totale rayonnée par seconde) est de l’ordre de 3,9 10²³ kW soit près de un million de milliards de milliards de centrales électriques de 1 000 MW. Au niveau de la Terre (hors atmosphère terrestre), un m² reçoit en moyenne 1 370 W, éclairement qui varie avec les saisons et l’activité du Soleil.

La distribution de l’énergie lumineuse avec la longueur d’onde est proche de celle d’un corps noir porté à la température de 5 770 K. Ceci est vrai de l’ultra-violet (vers 200 nm) jusqu’aux longueurs d’onde radio inférieures à 1 mm. Le pic d’émission a lieu dans le bleu-vert à 470 nm et correspond à une température d’émission de 6 200 K. Les photons émis dans cette vaste gamme proviennent de la « surface » ou photosphère. À première vue, le spectre paraît continu mais à haute résolution spectrale, il est en fait cannelé par de très nombreuses bandes sombres : ce sont les raies d’absorption d’éléments bien identifiés de la couche froide située au-dessus de la photosphère et qui absorbent le rayonnement sous-jacent.

Ces deux propriétés – température de corps noir équivalent (on parle de température effective) et nature des raies d’absorption – permettent de situer le Soleil par rapport aux autres étoiles. Elles sont à la base de la classification stellaire.

Cette classification stellaire, initialement définie à partir de la couleur de l’étoile et de l’importance de son rayonnement (sa magnitude), repose sur la température effective d’une part et sur la nature des raies d’absorption d’autre part : les étoiles (bleues) de type O sont à une température de l’ordre de 25 000 K et on y trouve des raies d’absorption de l’hélium et de l’hydrogène ; à l’autre bout de l’échelle, les étoiles (rouges) de type M sont à quelque 3 000 K et montrent des raies d’absorption moléculaires.

Fig. 1 – Granulation et tache solaire. Cette image a été obtenue par l’instrument SOT sur le satellite japonais Hinode à la longueur d’onde 430 nm (bande dite « G » dans le bleu). Ce rayonnement est issu de la photosphère. La zone couverte est de 120 000 sur 100 000 km. On distingue la granulation qui couvre l’essentiel de la surface et la tache constituée de deux zones bien distinctes : l’ombre (région sombre centrale plus grande que la Terre) et la pénombre constituée de fils de matière issue de l’ombre et rejoignant la photosphère. (SOT/Hinode)

Le Soleil est une étoile de type G (6 000 K), et son spectre révèle, notamment, la présence d’hydrogène, de fer et de calcium (neutre et ionisé). Cette température lui assure un rayonnement dont les propriétés tout à fait « modestes » (comparées aux étoiles très chaudes, sans parler des étoiles très denses comme les étoiles à neutrons ou les trous noirs) ne sont sans doute pas étrangères à l’apparition de la vie sur Terre.

La source interne de ce rayonnement

Pour la découvrir, il faut pénétrer à l’intérieur du Soleil, pourtant inaccessible à une vue directe. Ce que l’on sait aujourd’hui, soit par des travaux théoriques de modélisation de l’évolution des étoiles (chapitre 7), soit par des mesures indirectes de type sismologie (voir chapitre 8), c’est que le cœur du Soleil s’étend sur un rayon d’environ 175 000 km. Les rayonnements gamma produits par la fusion thermonucléaire s’échappent dans une région dite zone radiative où ils sont en permanence réexpédiés dans toutes les directions par les protons et les électrons. Ils se transforment en photons moins énergétiques et ces parties de ping-pong finissent à une distance d’environ 500 000 km du centre du Soleil. Rencontrant là un gaz plus froid et neutre, ces photons sont définitivement absorbés. Le surplus d’énergie ainsi accumulé ne peut alors être évacué que par de gigantesques mouvements de matière qui apportent la chaleur à la surface. La zone ainsi située entre 500 000 et 696 000 km est appelée zone convective.

Entre le cœur et la surface, règnent donc des conditions incroyablement diverses qu’il s’agisse de la température (une quinzaine de millions de K dans le cœur jusqu’à 4 200 K au-dessus de la surface) ou de la densité, qui passe de valeurs élevées dans le cœur (un litre de gaz y contient 100 kg de matière) à des valeurs très faibles (à la surface elle est 10 000 fois moins dense que l’air que nous respirons).

Granulation… et champ magnétique

Les indices les plus évidents du régime de brassage à l’œuvre dans la zone convective viennent d’images de la surface du Soleil (figure 1). La précision des instruments actuels (au sol ou dans l’espace), leur capacité d’observation continue (et les traitements informatiques des images) permettent...