Tous les onze ans en moyenne, le champ magnétique du Soleil s’inverse. Grâce à de nouvelles simulations numériques, des chercheurs expliquent pourquoi et comment cela se produit. La découverte d’une loi d’échelle pour la période du cycle magnétique d’une étoile est une première mondiale. Elle permet de mieux appréhender les phénomènes violents de météorologie spatiale.
- Le champ magnétique du Soleil est généré par les mouvements convectifs turbulents du fluide conducteur présent dans son cœur, par effet dynamo. Tous les onze ans, en moyenne, il s’inverse.
- Via des simulations 3D de l’intérieur d’étoiles comme le Soleil, des chercheurs ont mis en évidence l’existence d’une rétroaction forte entre le champ magnétique de l’étoile et les écoulements qui l’animent.
- La découverte d’une loi d’échelle sur la période du cycle magnétique d’une étoile à partir de simulations 3D turbulentes auto-cohérentes est une première mondiale.
Le champ magnétique des étoiles est engendré par les mouvements convectifs turbulents du fluide conducteur présent dans leur cœur (par effet dynamo). Celui du Soleil se renverse tous les onze ans en moyenne, phénomène qui s’accompagne d’éruptions très énergétiques pouvant dégrader des systèmes électriques et de communications sur 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 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 est une première mondiale. Ces résultats, obtenus grâce aux grands calculateurs Genci, Prace et ComputeCanada, ont été publiés le 14 juillet dans la revue Science.
Comment le champ magnétique se restructure
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 multiéchelle, issu de l’instabilité de la convection. Celui-ci est localisé dans la coquille sphérique externe de notre étoile, de 0,7 rayon solaire (environ 487.000 km) jusqu’à la surface. L’ensemble de ces deux types d’écoulements, à grande échelle et multiéchelle, joue un rôle essentiel dans la restructuration périodique du champ magnétique via ses composantes poloïdales (le long des méridiens) et toroïdales (le long des parallèles). 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, celui-ci oscille sur une période décennale.
Le saviez-vous ?
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.
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 — 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 —, un nombre sans dimension très utilisé en dynamique des fluides géophysiques.
Grâce à différents programmes d’observation, 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.
