[News] Le secret des cycles magnétiques des étoiles

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Redbran
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[News] Le secret des cycles magnétiques des étoiles

Message par Redbran » 23/08/2017 - 23:00:33

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 et permet de mieux appréhender les phénomènes violents de météorologie spatiale.

Le champ magnétique des étoiles est engendré par les mouvements convectifs turbulents du fluide conducteur présent dans leur cœur (par effet dynamo (1) ). Celui du Soleil se renverse tous les onze ans, phénomène qui s’accompagne de phénomènes éruptifs très énergétiques, pouvant dégrader des systèmes électriques et de communicationssur Terre ou à bord de satellites. D’autres étoiles présentent aussi des cycles magnétiques, d’une année à plusieurs dizaines d’années.

Une collaboration internationale incluant le CEA, le CNRS et l’Université Paris 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 ». 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 des missions Cosmic Vision de l’ESA Solar Orbiter 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 des étoiles.

Une dynamo fondamentalement non-linéaire

Si on zoome sur le cœur du Soleil, on observe aussi au sein du fluide conducteur, en plus de mouvements à grande échelle, un écoulement turbulent multi-échelles, issu de l’instabilité de la convection. Celui-ci est localisé dans la coquille sphérique externe de notre étoile, de 0,7 rayon solaire jusqu’à la surface. L’ensemble de ces deux types d’écoulements, à grande échelle et multi-échelles, joue 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 de Rossby (5) , un nombre sans dimension très utilisé en dynamique des fluides géophysiques.

Observation du champ magnétique azimutal, en fonction de la latitude et du temps. 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 sont ajoutés le Soleil (cercle mauve avec un point en son centre) et d’autres étoiles de type solaire (étoiles cyan, losanges orange) pour lesquelles un cycle magnétique a été observé. Les étoiles jumelles 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, 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 conducteur en mouvement. (2) Au sein du laboratoire Astrophysique, instrumentation, 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 et la force de Coriolis qui s'applique à un fluide dans un repère tournant. Un faible nombre de Rossby correspond à une situation où l’effet de la rotation (Coriolis) domine l'advection du fluide, comme dans le cas par exemple de la circulation 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)

Source: CNRS

passant
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Re: [News] Le secret des cycles magnétiques des étoiles

Message par passant » 24/08/2017 - 7:28:43

Redbran a écrit :
Le champ magnétique des étoiles est engendré par les mouvements convectifs turbulents du fluide conducteur présent dans leur cœur (par effet dynamo (1) ).
Qu'est-ce que le fluide conducteur présent dans le cœur d'une étoile?
bonjour

Elixire
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Re: [News] Le secret des cycles magnétiques des étoiles

Message par Elixire » 24/08/2017 - 8:13:04

A priori, je dirais du plasma d'hydrogène à haute température et pression.
Plus quelques sous-produits de fusion, bien sûr.

passant
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Re: [News] Le secret des cycles magnétiques des étoiles

Message par passant » 24/08/2017 - 8:29:52

Ok! Merci Elixire.
bonjour

kace
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Re: [News] Le secret des cycles magnétiques des étoiles

Message par kace » 24/08/2017 - 13:04:43

passant a écrit :
Redbran a écrit : Le champ magnétique des étoiles est engendré par les mouvements convectifs turbulents du fluide conducteur présent dans leur cœur (par effet dynamo (1) ).
Qu'est-ce que le fluide conducteur présent dans le cœur d'une étoile?
Oui je confirme : le Soleil est à ~6000 K en surface, et à une température bien plus élevée à l'intérieur (jusqu'à ~14M de degrés K au centre). Dans tous les cas, la matière est ionisée à ces températures, et c'est ce qu'on appelle un "plasma" : c'est un mélange d'ions positifs (les noyaux des atomes et parfois encore quelques électrons autour, mais en nombre insuffisant pour assurer une charge électrique totale neutre, comme dans la matière autour de nous à température ambiante) et d'électrons chargés négativement et qui se baladent librement.
Au total, la charge de la matière sous forme de plasma reste neutre, mais elle est répartie entre charge + (les noyaux) et - (les électrons), et c'est un milieu qui est donc conducteur d'électricité (car bcp de charges libres, qui se déplacent au gré des champs électriques et magnétiques).
Et les déplacements de ces charges induisent des champs électriques et magnétiques ! La boucle est donc bouclée : c'est un milieu où les champs provoquent des déplacements des charges, et les déplacements des charges induisent des champs, ce qui est un système qui peut donc "s'auto-entretenir" de manière plus ou moins stable. Et cette mécanique est enclenchée depuis la formation du Soleil, et entretenue par les courants de convection internes à l'étoile (et provoqués par la dissipation de la chaleur produite au centre, et évacuée par la surface).
Et avec cette étude, on commence enfin à comprendre comment s'entretient le cycle de 11 ans (22 ans en fait) du champ magnétique global du Soleil.

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cisou9
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Re: [News] Le secret des cycles magnétiques des étoiles

Message par cisou9 » 24/08/2017 - 16:03:39

__________________ :_salut:
Merci Kace de cette explication très claire. ____ ;) ____
Un homme est heureux tant qu'il décide de l'être et nul ne peux l'en empêcher.
Alexandre Soljenitsyne.

kace
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Re: [News] Le secret des cycles magnétiques des étoiles

Message par kace » 24/08/2017 - 16:59:14

cisou9 a écrit :__________________ :_salut:
Merci Kace de cette explication très claire. ____ ;) ____
De rien ; -)

passant
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Re: [News] Le secret des cycles magnétiques des étoiles

Message par passant » 26/08/2017 - 9:56:24

kace a écrit :
les noyaux des atomes
A priori, à 14 000 000 de degrés les noyaux des atomes ne fondent pas.
bonjour

kace
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Re: [News] Le secret des cycles magnétiques des étoiles

Message par kace » 26/08/2017 - 21:48:08

passant a écrit :
kace a écrit : les noyaux des atomes
A priori, à 14 000 000 de degrés les noyaux des atomes ne fondent pas.
Je dois avouer que je ne comprends pas ta remarque : as-tu (mal) compris que je disais que les noyaux des atomes fondent à 14M de degrés ? Où as-tu vu ça ???

passant
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Re: [News] Le secret des cycles magnétiques des étoiles

Message par passant » 27/08/2017 - 8:27:08

kace a écrit :

Je dois avouer que je ne comprends pas ta remarque :
Ah... Excuse. Je relis.
bonjour

passant
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Re: [News] Le secret des cycles magnétiques des étoiles

Message par passant » 27/08/2017 - 9:06:32

kace a écrit :
Oui je confirme : le Soleil est à ~6000 K en surface, et à une température bien plus élevée à l'intérieur (jusqu'à ~14M de degrés K au centre). Dans tous les cas, la matière est ionisée à ces températures, et c'est ce qu'on appelle un "plasma" : c'est un mélange d'ions positifs (les noyaux des atomes et parfois encore quelques électrons autour, mais en nombre insuffisant pour assurer une charge électrique totale neutre, comme dans la matière autour de nous à température ambiante)
Voilà le passage que j'ai interprété. Le plasma, un mélange d'ions positifs. J'ai donc pensé par les parenthèses que ce mélange d'ions positifs était composé des noyaux des atomes et de quelques électrons. J'en ai donc déduis que les noyaux des atomes résistaient à la température de 14 000 000 de degrés. Inexact semble t-il.
bonjour

kace
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Re: [News] Le secret des cycles magnétiques des étoiles

Message par kace » 27/08/2017 - 10:19:09

passant a écrit :
kace a écrit :
Oui je confirme : le Soleil est à ~6000 K en surface, et à une température bien plus élevée à l'intérieur (jusqu'à ~14M de degrés K au centre). Dans tous les cas, la matière est ionisée à ces températures, et c'est ce qu'on appelle un "plasma" : c'est un mélange d'ions positifs (les noyaux des atomes et parfois encore quelques électrons autour, mais en nombre insuffisant pour assurer une charge électrique totale neutre, comme dans la matière autour de nous à température ambiante)
Voilà le passage que j'ai interprété. Le plasma, un mélange d'ions positifs. J'ai donc pensé par les parenthèses que ce mélange d'ions positifs était composé des noyaux des atomes et de quelques électrons. J'en ai donc déduis que les noyaux des atomes résistaient à la température de 14 000 000 de degrés. Inexact semble t-il.
Précisions : si si, les noyaux résistent à 14M de degrés ! Le plasma est bien composé d'ions positifs (les noyaux des atomes et quelques électrons résiduels qui peuvent tourner autour) et d'électrons libres (ceux qui ont été arrachés aux noyaux positifs).

Plus précisément : à 14M de degrés, l'hydrogène (1 proton et 1 électron autour à température ambiante) est ionisé, à savoir un proton qui se balade librement et un électron qui se balade librement. L'Hélium (2 protons et 1 ou 2 neutrons + 2 électrons autour) est aussi ionisé, les 2 électrons se baladent librement et le noyau de 2 protons et 1 ou 2 neutrons se balade librement aussi. Pour les gros atomes, genre le fer voire l'or (il y en a un petit peu au centre du Soleil, constitué à ~1% de matériaux autre qu'hydrogène et hélium), tous les électrons "extérieurs" sont libres mais quelques électrons des couches intérieures de l'atome restent autour du noyau. C'est vrai jusqu'à certaines conditions de température et de pression qui dépendent des atomes. Pour le fer, il faut ~10KeV pour arracher le dernier électron (cf https://fr.wikipedia.org/wiki/Fer et la table d'ionisation à droite: 9277eV), ce qui arrive à ~100M de degrés : au coeur du Soleil, le fer perdrait ainsi ~18 de ses 26 électrons : il reste donc un noyau avec 26 protons (et des neutrons) et ~8 électrons autour, c'est donc un ion avec une charge de +18, et il y a 18 électrons libres.
(note: il faut faire des calculs compliqués de mécanique quantique pour affiner ces résultats, je ne sais plus les faire ... Les chiffres indiqués ici sont donc "qualitatifs").

Et sur la "résistance" à 14M de degrés : de temps en temps, quelques noyaux légers ne résistent pas à l'agitation ambiante très forte (plus c'est chaud, plus c'est agité) et fusionnent. C'est le cycle de production d'Hélium à partir de noyaux d'Hydrogène (des protons donc) qui est la fusion nucléaire, à la source de l'énergie produite par le Soleil, mais on s'écarte du sujet : -)

passant
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Re: [News] Le secret des cycles magnétiques des étoiles

Message par passant » 28/08/2017 - 8:33:38

kace a écrit :
Plus précisément : à 14M de degrés, l'hydrogène (1 proton et 1 électron autour à température ambiante) est ionisé, à savoir un proton qui se balade librement et un électron qui se balade librement. L'Hélium (2 protons et 1 ou 2 neutrons + 2 électrons autour) est aussi ionisé, les 2 électrons se baladent librement et le noyau de 2 protons et 1 ou 2 neutrons se balade librement aussi. Pour les gros atomes, genre le fer voire l'or (il y en a un petit peu au centre du Soleil, constitué à ~1% de matériaux autre qu'hydrogène et hélium), tous les électrons "extérieurs" sont libres mais quelques électrons des couches intérieures de l'atome restent autour du noyau. C'est vrai jusqu'à certaines conditions de température et de pression qui dépendent des atomes. Pour le fer, il faut ~10KeV pour arracher le dernier électron (cf https://fr.wikipedia.org/wiki/Fer et la table d'ionisation à droite: 9277eV), ce qui arrive à ~100M de degrés : au coeur du Soleil, le fer perdrait ainsi ~18 de ses 26 électrons : il reste donc un noyau avec 26 protons (et des neutrons) et ~8 électrons autour, c'est donc un ion avec une charge de +18, et il y a 18 électrons libres.
Résultat. La lumière. Bein!
bonjour

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