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Séismes dans les étoiles

Pour nous, Terriens, la sismologie évoque plus des tremblements de terre que des tremblements de gaz. La surface du Soleil, comme celles des étoiles, est pourtant elle aussi sujette à tremblements. Et cette sismologie stellaire passionne les astronomes, car elle doit permettre d'élargir notre connaissance de l'Univers…

Étoile naissanteLa sismologie stellaire est une discipline d'astrophysique qui étudie les oscillations des étoiles afin de mieux connaître leur structure et l'origine de ces vibrations.
© NASA, ESA,Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

Depuis des millénaires, les hommes (Chinois, Égyptiens, Babyloniens, Grecs, Incas, Mayas, Aztèques,…) tournent leurs yeux vers le ciel, les planètes et les étoiles, observant la périodicité des mouvements du Soleil, étudiant les éclipses, décrivant les constellations,… Il fut même un Grec, Aristarque de Samos qui, plus de deux siècles avant notre ère, et… 1 700 ans avant le grand Copernic (1473-1543), suggéra que la Terre tournait sur elle-même et autour du Soleil. Il n’avait alors d’autres outils que son intelligence et sa clairvoyance, et à sa disposition la seule connaissance des dimensions comparées de la Terre et du Soleil. Peu à peu, les astronomes se sont dotés d’instruments. C’est alors que l’astronomie rompt avec l’astrologie, et qu'elle devient une véritable science. On doit ainsi à Galilée (1564-1642) la première lunette astronomique, avec laquelle il a en particulier observé les taches du Soleil.


Au cours des siècles qui ont suivi, et notamment le siècle dernier, les instruments sont devenus de plus en plus puissants et perfectionnés, en particulier les télescopes. De nos jours, les télescopes au sol sont équipés de miroirs de plusieurs mètres de diamètre. Car toujours, en astronomie, l’objectif est de recueillir le plus possible de lumière venue des astres : "Presque toute l’information est véhiculée par la lumière", souligne l’astronome Jean-Claude Pecker, qu’il s’agisse de lumière visible ou non par l’humain (c’est-à-dire jusqu’à l’ultraviolet et au-delà, et jusqu’à l’infrarouge et en deçà). Aujourd'hui, c'est en analysant le rayonnement émis par le Soleil que les astronomes scrutent les tremblements (les scientifiques parlent plutôt d'oscillations) de sa surface : c'est ce qu'on appelle la sismologie solaire ou "héliosismologie", le radical "hélio" venant du nom du dieu grec Hélios (dieu du Soleil), et seismos signifiant tremblement. De tels tremblements sont également observés dans certaines étoiles : on parle alors de sismologie stellaire, ou "astérosismologie".


En effet, les dimensions, la forme, la structure interne d'un objet déterminent la manière dont il peut vibrer. Une assiette ne sonne pas de la même manière lorsqu'elle est fêlée ; un verre ne sonne pas de la même façon selon qu'il est plus ou moins rempli. L'ensemble des "modes de vibration" d'un objet lui est spécifique et le caractérise. Détecter et mesurer ces vibrations nous renseigne sur l'objet, notamment sur son intérieur (inaccessible à l'observation directe dans le cas des étoiles et du Soleil) ainsi que sur ce qui provoque les vibrations.

Ces études sont si prometteuses qu’elles font déjà l’objet d’enseignements dès le second cycle universitaire. Des cours de sismologie solaire et stellaire sont par exemple dispensés dans le cadre du master de l’Observatoire de Paris (http://master.obspm.fr/).

Le satellite Corot, lancé fin décembre 2006, a pour mission de fournir aux astronomes de quoi en apprendre beaucoup plus sur le fonctionnement des étoiles, composantes essentielles de notre Univers, et donc sur l’âge de celui-ci. Outre ces nouvelles connaissances fondamentales, la mise au point de Corot a permis aux astronomes de progresser sur le matériel technique utilisé pour explorer l'espace.

01.Qu'est-ce qui fait vibrer le Soleil ?

Schéma - trajectoire des ondes sonores dans une étoile.Trajectoire des ondes sonores dans une étoile. Les lignes bleues correspondent à des ondes pénétrant profondément, les rouges à des ondes plus superficielles, les jaunes et vertes à des ondes qui pénètrent des zones intermédiaires.
© The Theoretical Astrophysics Center, Institute of Physics and Astronomy/Aarhus University, Denmark
Si nous étions proches du Soleil, et si de surcroît notre système auditif était beaucoup plus performant qu’il ne l’est, s'il y avait de l'air ou un gaz suffisamment dense entre la surface du Soleil et nous, nous entendrions les petits vrombissements de la surface solaire. Celle-ci est en effet agitée par de légers tremblements (des oscillations) qui se traduisent par des ondes acoustiques. Ces oscillations sont très petites, d'une amplitude de quelques dizaines de kilomètres. Les astronomes s’efforcent de décrypter les mécanismes en œuvre et d’en tirer profit pour explorer les profondeurs de notre source de lumière et de chaleur.

Qu’est-ce qu’une "onde acoustique" ? Il s’agit d’un phénomène d’origine mécanique : une telle onde résulte de la propagation de variations de pression au sein d’un gaz, d’un liquide ou d’un solide. Exemple* : ce sont les vibrations d’une membrane qui permettent à un haut-parleur de nous restituer des sons, du fait des variations de pression que ces vibrations engendrent dans l’air environnant.

Comment étudier une "onde acoustique" ? Elle est tout d'abord caractérisée par sa fréquence. Celle du Soleil est de 3 millihertz, soit plus de mille fois inférieure à celle du son le plus grave que les humains entendent (nous percevons de 20 à 20 000 hertz en moyenne) : elle est donc inaudible pour l'homme. Par ailleurs, une onde acoustique ne peut se propager dans le vide. D’où l’impossibilité, depuis la Terre, d’"écouter" ce qui se passe à la surface du Soleil, même avec un super-amplificateur. La seule solution est donc d’analyser les variations de certaines caractéristiques du rayonnement solaire.

Des granulesLa surface du Soleil n'est pas uniforme : elle est couverte de structures brillantes irrégulières, séparées par des frontières plus sombres. Ce sont les granules. D'une taille d'environ 1 000 km, ce sont des bulles de gaz très chaud.
© NASA
Mais pourquoi trouve-t-on de telles ondes acoustiques dans le Soleil ? "Notre astre se comporte comme une cavité résonante, à l’instar d’un instrument de musique dont les vibrations produisent des notes", indique Caroline Barban, enseignante-chercheur à l’Observatoire de Paris. Elles sont de plusieurs sortes, selon la région du Soleil qui résonne : chaque "note" donne donc des informations sur une zone différente de l’astre. Précision de l’astrophysicienne : "Au sein du Soleil, il existe en fait un ensemble de cavités définies chacune par ses propriétés propres : densité, température, composition chimique. De même que les tremblements de terre permettent de repérer les discontinuités internes de notre planète, on identifie les différentes zones du Soleil par l’analyse de ces ondes acoustiques." Les modes d’oscillation d’un objet dépendent en effet toujours de sa structure interne.

Encore faut-il un facteur déclenchant pour ces ondes (le rôle que joue la membrane dans le haut-parleur). Très schématiquement, la surface du Soleil est le siège d’une grande agitation de nature chaotique (turbulente). Des bulles (ou granules) de gaz très chauds remontent sans cesse vers cette surface : "Il se passe un peu la même chose que dans l’eau en train de bouillir : des bulles se forment en surface avec un bruit de bouillonnement caractéristique", explique Caroline Barban. Ce phénomène de "granulation" serait à l’origine des ondes acoustiques. Celles-ci se propagent à l’intérieur du Soleil jusqu’à être réfléchies (ou plutôt réfractées), dès lors que la densité gazeuse devient trop grande (bloquant leur propagation), puis à nouveau réfléchies sur la surface, et ainsi de suite : elles sont ainsi piégées dans une zone qui fait office de cavité résonante, comme dans un instrument de musique (voir schéma).


Et, de la même manière que dans un instrument de musique la sonorité est caractéristique de sa structure, les oscillations dépendent de la structure et de la composition des cavités. La sismologie solaire devient ainsi un véritable instrument de sondage des profondeurs du Soleil. "Elle nous a permis d’accéder à la distribution des températures de la surface du Soleil presque jusqu’à son cœur", souligne Caroline Barban. On a également une image beaucoup plus précise des différentes couches qui le structurent. Autre résultat, très surprenant ajoute-t-elle : la partie interne de l’astre (depuis le centre jusqu'à 30 % avant la surface) semble se comporter de manière rigide, comme un corps solide en rotation, alors qu’elle ne contient que des gaz. Les scientifiques travaillent sur le sujet, et n'ont pas réussi à totalement l'expliquer. D’où aussi l’intérêt d’observer d’autres étoiles similaires : c’est l’une des tâches du satellite d’observation Corot lancé fin 2006 (voir chapitre 3).



* A lire à ce sujet sur le site : Histoire d'onde

02.Quarante ans de sismologie solaire

HéliosismologieL'héliosismologie étudie les "tremblements" de la surface du Soleil. Pourquoi ? Car la manière de vibrer d'un objet informe sur ses dimensions, sa forme et sa structure interne. Ces travaux permettent donc de mieux connaître notre astre.
© ESA
Presque simultanément, au début des années soixante, plusieurs scientifiques découvrent l’existence de petites oscillations à la surface du Soleil : d’un côté l’astronome Jack Evans avec son collègue français Raymond Michard (alors à l’Institut d’astrophysique de Paris), et de l’autre, l’Américain Robert B. Leighton. Les deux premiers font leurs observations à l’Observatoire national du Soleil de Sacramento Peak (Nouveau-Mexique), le troisième à l’Observatoire du mont Wilson (Californie). Ces observations marquent le point de départ d’une toute nouvelle sous-discipline de l’astrophysique, la sismologie solaire.

Il faudra une quinzaine d’années avant que n’émerge une explication théorique du phénomène. À la fin des années soixante-dix est avancée l’idée selon laquelle le Soleil se comporterait comme une cavité résonante (telle celle d’un tambour). Ses modes de vibration devaient nous renseigner sur sa structure interne. Restait à confirmer cette idée et, notamment à recueillir des enregistrements de données de plusieurs mois d’affilée. Ceci n’étant guère envisageable sous nos latitudes (le Soleil n’y est visible que le jour), une équipe française s’envole en direction du pôle Sud, pour profiter du jour polaire, qui dure six mois.

Cette mission est organisée au début des années quatre-vingts par Éric Fossat et Gérard Grec, de l’Observatoire de Nice. Dans leurs bagages, ils embarquent un spectrographe de haute précision qu’ils ont adapté pour la circonstance. Un spectrographe fournit des spectres du rayonnement qu’il reçoit, c’est-à-dire une décomposition de cette lumière selon ses diverses fréquences. "L’équipe niçoise est la première à avoir détecté plusieurs fréquences d’oscillations du Soleil", se souvient Jean-Claude Pecker, qui dirigeait l’Observatoire de Nice quelques années avant cette mission en Antarctique. "La découverte de ces oscillations était tellement importante qu’un grand nombre d’équipes se sont lancées dans cette nouvelle voie, ajoute l’astronome. Jusque-là, on ne disposait d’aucune donnée directe ou indirecte sur la structure interne du Soleil. Avec la sismologie solaire, les astrophysiciens disposaient d’un outil d’investigation très puissant : l’étude des ondes acoustiques en surface allait permettre de sonder l’intérieur de l’astre."

La Silla au ChiliLa Silla au Chili est un des six centres du réseau IRIS, qui permet des observations coordonnées en longitude et est destiné à étudier les modes propres d'oscillation du Soleil.
© ESO
À partir de là, plusieurs dispositifs de mesure se mettent en place. L’objectif est d’effectuer des mesures vingt-quatre heures sur vingt-quatre, sept jours sur sept. Une solution consiste à associer des stations réparties tout autour de la planète. C’est ainsi qu’en 1984 démarre l’opération IRIS (International research in the interior of the Sun ; Recherche internationale sur l'intérieur du Soleil), sous la houlette des astronomes niçois. IRIS est un réseau de six stations implantées respectivement en Australie, Ouzbékistan, Maroc, Chili, Californie et sur l’île de Tenerife. Quelques années plus tard, c’est le lancement du réseau GONG (Global oscillation network group), d’initiative anglo-américaine cette fois, avec des instruments en Californie, à Hawaï, dans les îles Canaries, en Australie, en Inde et au Chili.

Autre solution : quitter la Terre et observer le Soleil depuis l’espace. C’est ce que va permettre le satellite SoHO (Solar and heliospheric observatory ; Observatoire solaire et héliosphérique), fruit d’une collaboration entre les agences spatiales américaine (NASA) et européenne (ESA). Lancé en décembre 1995 depuis Cap Canaveral (États-Unis), il embarque en particulier à son bord l’instrument GOLF (Global oscillations at low frequency ; Oscillations globales du Soleil à basse fréquence), un spectromètre d’un genre particulier destiné à analyser certains modes spécifiques d’oscillations.

"À ce jour, des milliers de modes d’oscillations du Soleil ont été détectés !", souligne Jean-Claude Pecker. Mais si notre astre oscille, pourquoi pas les étoiles ? "C’est encore à Nice, entre autres, qu’a démarré la sismologie stellaire (ou astérosismologie), en particulier grâce aux travaux de Nathalie Audard dans le cadre de sa thèse", ajoute-t-il. Le chapitre suivant de cette aventure s’écrira avec les informations que transmettra Corot dans les mois qui viennent. (voir chapitre 3)

03.Un satellite à l'"écoute" des étoiles

Le télescope COROTVue d'artiste de COROT. Lancé de Baïkonour en décembre 2006, ce télescope spatial permettra de sonder les phénomènes physiques se produisant à l'intérieur des étoiles, mais aussi la détection de nouvelles planètes extrasolaires telluriques.
© D.Ducros/CNES
C’est dans les années quatre-vingt-dix que des oscillations de surface analogues à celles du Soleil ont été mises en évidence dans d’autres étoiles : "Une équipe du Service d’aéronomie de Verrières-le-Buisson associée à celle au sein de laquelle je préparais ma thèse, à l’observatoire de Meudon, a été la première à confirmer leur existence dans Procyon (une étoile blanche très brillante appartenant à la constellation du Petit Chien)", indique Caroline Barban. Mais l’observation de ces oscillations stellaires est encore plus hasardeuse que celles du Soleil : non seulement elles sont d’aussi faible amplitude, mais le rayonnement qui nous arrive des étoiles est, lui, beaucoup plus faible. Il n’existe donc qu’une seule solution : les observer depuis l’espace. En effet, d'une part dans l'espace le rayonnement n'est pas filtré par l'atmosphère terrestre ; d'autre part on n'est pas soumis à l'alternance des jours et des nuits : on voit le Soleil en permanence.

D'où l'intérêt de la mission du satellite Corot. En janvier 2007, le satellite (lancé fin 2006 par une fusée Soyouz depuis la base de Baïkonour au Kazakhstan) transmettait ses premières images. Corot signifie "Convection, rotation et transits planétaires"… rien à voir donc avec le peintre considéré parfois comme le père de l’impressionnisme. Ses objectifs : détecter et étudier les vibrations des étoiles (sismologie stellaire ou astérosismologie) d’une part, et rechercher des exoplanètes (planètes en dehors de notre système solaire) d’autre part. Au démarrage du projet, seule l’astérosismologie était au programme. L’un des enjeux est en effet d’accumuler le maximum de données sur les vibrations d’autres étoiles que le Soleil et d’établir, à terme, un modèle fiable pour des étoiles de différentes caractéristiques (similaires au Soleil, ou plus massives). Ce modèle permettra notamment de se faire une idée plus précise de l’évolution passée et future du Soleil.

Miroir primaire de COROTLe satellite COROT est équipé de quatre détecteurs CCD sensibles à de très faibles variations de la lumière des étoiles, et d'un télescope avec trois miroirs de 25 cm. Placé en orbite polaire à 800 km d'altitude, sa mission durera 3 ans.
© Sagem
Corot est le fruit d’une très longue gestation. Le premier projet sélectionné par le Centre national d’études spatiales (CNES), maître d’œuvre, date de 1994. "Plusieurs événements ont dès lors fait évoluer le projet, en particulier la détection, en 1995, de la première exoplanète", indique l’astrophysicienne. Or la détection des exoplanètes utilise les mêmes instruments que la sismologie stellaire. Donc autant faire d’une pierre deux coups et lancer une mission poursuivant les deux objectifs. Entre-temps également, l’Autriche, l’Espagne, l’Allemagne, la Belgique et le Brésil se sont joints au projet, ainsi que l’Agence spatiale européenne (ESA).

Le satellite comporte un seul instrument : un télescope de 27 centimètres de diamètre équipé de détecteurs extrêmement performants. Cet instrument a pour fonction de collecter et de concentrer le rayonnement des étoiles. Les détecteurs sont au nombre de quatre, deux pour la sismologie stellaire et deux pour les exoplanètes. Au sol, quatre sites sont équipés d’antennes de réception des données : le premier près de Toulouse, un autre en Suède, le troisième en Autriche et le dernier au Brésil. Pendant un an, seuls les scientifiques associés au projet auront accès à ces données. Corot devrait être opérationnel pendant deux ans et demi au minimum. "Nous allons faire un bond incroyable en physique stellaire, se réjouit Caroline Barban : plusieurs dizaines d’étoiles vont être observées, et ce pendant plusieurs mois !"

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