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Posté par Redbran le Jeudi 24/08/2017 à 00:00
Le secret des cycles magnétiques des étoiles
Grâce à de nouvelles simulations numériques, des scientifiques du CEA, du CNRS et de l'Université Paris Diderot expliquent pourquoi le champ magnétique du Soleil se renverse tous les onze ans. La découverte d'une loi d'échelle pour la période du cycle magnétique d'une étoile est une première mondiale publiée le 14 juillet 2017 dans Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient pour vrai au sens...) et permet de mieux appréhender les phénomènes violents de météorologie spatiale.

Le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique des étoiles est engendré par les mouvements convectifs turbulents du fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les liquides, qui sont...) conducteur présent dans leur cœur (par effet dynamo (Abréviation de dynamoélectrique, dynamo désigne une machine à courant continu fonctionnant en générateur électrique. Elle a été...) (1) ). Celui du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification...) se renverse tous les onze ans, phénomène qui s’accompagne de phénomènes éruptifs très énergétiques, pouvant dégrader des systèmes électriques et de communicationssur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre planètes...) ou à bord de satellites (Satellite peut faire référence à :). D’autres étoiles présentent aussi des cycles magnétiques, d’une année à plusieurs dizaines d’années.

Une collaboration internationale incluant le CEA, le CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) et l’Université Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du...) Diderot (2) a simulé en 3D l’intérieur d’étoiles semblables au Soleil afin d’expliquer l’origine des cycles de leur champ magnétique. Les scientifiques ont mis en évidence l’existence d’une rétroaction forte entre le champ magnétique de l’étoile et les écoulements qui l’animent, dont un important « profil de rotation interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une durée variable selon le...) ». Les modulations temporelles de cette rotation interne déterminent en définitive la période du cycle. La découverte de cette loi d’échelle sur la période du cycle magnétique d’une étoile à partir de simulations 3D turbulentes auto-cohérentes (voir encadré) est une première mondiale. Ces résultats, obtenus grâce aux grands calculateurs GENCI, PRACE et ComputeCanada, sont publiés dans la revue Science.

Les simulations du magnétisme des étoiles de type solaire permettront de préparer l’exploitation scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et...) des missions Cosmic Vision de l’ESA Solar Orbiter (Orbiter est un simulateur de vol spatial réaliste, diffusé sous forme de graticiel (mais non open source), pour le système...) et PLATO, dont les lancements sont respectivement prévus en 2018 et 2024. Elles renouvellent l’interprétation théorique des cycles magnétique stellaires et replacent l’étude du Soleil au cœur de notre compréhension de la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) des étoiles.

Une dynamo fondamentalement non-linéaire

Si on zoome sur le cœur du Soleil, on observe aussi au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du torse d'un animal, et en particulier celle des mammifères...) du fluide conducteur, en plus de mouvements à grande échelle, un écoulement turbulent (Le HMS Turbulent (n° de coque : S 87) est un bâtiment de la classe Trafalgar de sept sous-marins nucléaires d'attaque de la Royal Navy.) multi-échelles, issu de l’instabilité de la convection (La convection est un mode de transfert de chaleur où celle-ci est advectée (transportée-conduite, mais ces termes sont en fait impropres) par au moins un fluide. Ainsi durant la cuisson des pâtes,...). Celui-ci est localisé dans la coquille sphérique externe de notre étoile, de 0,7 rayon solaire (En astrophysique, le rayon solaire est l'unité de longueur conventionnellement utilisée pour exprimer la taille des étoiles. Elle est égale à la longueur du rayon...) jusqu’à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec sa...). L’ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme...) de ces deux types d’écoulements, à grande échelle et multi-échelles, joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les mâchoires. On appelle aussi joue le muscle qui sert principalement...) un rôle essentiel dans la restructuration périodique du champ magnétique via ses composantes poloïdales (3) et toroïdales (4) . Un mécanisme complexe, aujourd’hui bien compris, permet ainsi « d’auto-entretenir » un champ magnétique global de grande échelle. Dans certains cas, comme pour le Soleil, ce champ magnétique global oscille sur une période décennale. Grâce à leurs simulations, les chercheurs ont pu montrer que la rotation de l’étoile influence l’efficacité du transfert d’énergie (non-linéaire) entre certains écoulements à grande échelle et le champ magnétique. Ce phénomène détermine ultimement la période du cycle, qui décroit avec le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de Rossby (5) , un nombre sans dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est une...) très utilisé en dynamique des fluides (La dynamique des fluides est l'étude des mouvements des fluides, qu'ils soient liquide ou gaz. La résolution d'un problème de dynamique des fluides demande normalement de calculer diverses...) géophysiques.


Observation du champ magnétique azimutal, en fonction de la latitude (La latitude est une valeur angulaire, expression du positionnement nord-sud d'un point sur Terre (ou sur une autre planète), au nord ou au sud de l'équateur.) et du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.). On observe que le champ magnétique se renverse régulièrement et oscille entre des phases symétriques (même signe de part et d’autre de l’équateur par exemple entre 100 et 140 ans) et antisymétriques (signe opposé par exemple entre 240 et 320 ans) par rapport à l’équateur. @DAp/CEA-AIM-Université de Montréal

Le cycle magnétique des étoiles de type solaire

Grâce à différents programmes d’observations, les chercheurs disposent aujourd’hui d’informations sur la durée des cycles magnétiques d’étoiles de type solaire, dont ils connaissent souvent la luminosité avec une bonne précision, en plus de leur rotation et de leur cycle magnétique. En observant de plus en plus d’étoiles, les astrophysiciens espèrent affiner ce nouveau scénario de l’origine du cycle magnétique des étoiles.


Ratio de la période du cycle magnétique et de la période de rotation en fonction du nombre de Rossby dans les simulations 3D turbulentes (à gauche). Une loi de puissance qui décroit avec le nombre de Rossby est obtenue du fait de la forte non-linéarité de la dynamo opérant dans ces simulations. A droite, on observe le même ratio en fonction de la luminosité de l’étoile (normalisée à la période de rotation de l’étoile). Dans ce diagramme (Un diagramme est une représentation visuelle simplifiée et structurée des concepts, des idées, des constructions, des relations, des données statistiques, de l'anatomie...) sont ajoutés le Soleil (cercle mauve avec un point (Graphie) en son centre) et d’autres étoiles de type solaire (étoiles cyan (Le cyan ( du grec kuanos, à savoir l'azurite) est une couleur pure de la lumière de longueur d'onde 500 nm. Elle est souvent...), losanges orange) pour lesquelles un cycle magnétique a été observé. Les étoiles jumelles (On désigne par le terme jumelles un dispositif optique binoculaire grossissant destiné à l'observation d'objets à distance, constitué de deux...) du Soleil sont surlignées en mauve. Les simulations (disques bleu) croisent le point solaire sans ajustement de paramètres. Les lignes brisées verticales correspondent à des étoiles pour lesquelles deux périodicités magnétiques ont été identifiées. @DAp/CEA-AIMUniversité de Montréal

La force des simulations auto-cohérente

En physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien,...), une simulation auto-cohérente, ou modèle ab initio, garantit un modèle basé sur les principes premiers de la physique ne faisant intervenir aucun paramétrage ad-hoc. En particulier, les champs magnétiques et les écoulements à l'intérieur de l'étoile évoluent ici de façon conjointe et sont interdépendants, ce qui a permis aux chercheurs de mettre en lumière ce mécanisme nouveau à l’origine des cycles magnétiques stellaires.

Notes :
(1) L'effet dynamo consiste en la génération spontanée d’un champ magnétique au sein d'un liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) conducteur en mouvement. (2) Au sein du laboratoire Astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des propriétés des objets de l'univers...), instrumentation (Le mot instrumentation est employé dans plusieurs domaines :), modélisation (AIM) à Paris-Saclay
(3) C’est-à-dire le long des méridiens.
(4) C’est-à-dire le long des parallèles.
(5) Le nombre de Rossby mesure le rapport entre les forces d’inertie (L'inertie d'un corps découle de la nécessité d'exercer une force sur celui-ci pour modifier sa vitesse (vectorielle). Ainsi, un corps immobile ou en...) et la force de Coriolis (Dans un système de référence (référentiel) en rotation uniforme, les corps en mouvement, tels que vus par un observateur...) qui s'applique à un fluide dans un repère tournant. Un faible nombre de Rossby correspond à une situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un espace par rapport à son environnement proche ou non. Il inscrit un lieu dans un cadre plus général...) où l’effet de la rotation (Coriolis) domine l'advection du fluide, comme dans le cas par exemple de la circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles sur une route.) océanique globale sur Terre.


Référence publication:
Reconciling solar and stellar magnetic cycles with nonlinear dynamo simulations. Strugarek A., Beaudoin P., Charbonneau P., Brun A.S., Do Nascimento Jr J.D. Publié dans la revue Science (2017)

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Source: CNRS
 
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