De nouvelles mesures d’opacité radiative solaire grâce à l’héliosismologie

Des chercheurs ont développé une méthode innovante utilisant l’héliosismologie pour mesurer l’opacité radiative solaire dans des conditions extrêmes. Ces travaux, publiés dans Nature Communications, révèlent des lacunes dans notre compréhension de la physique atomique et confirment des résultats expérimentaux récents. Ces avancées, rendues possibles grâce à des outils numériques conçus à l’ULiège, ouvrent de nouvelles perspectives en astrophysique et dans le domaine de la physique nucléaire.

L’héliosismologie est une discipline dédiée à l’étude des oscillations acoustiques du Soleil et permet de sonder l’intérieur de notre étoile avec une précision remarquable. En analysant ces ondes, il est possible de reconstruire des paramètres fondamentaux tels que la densité, la température ou la composition chimique du plasma solaire, des éléments essentiels pour comprendre son fonctionnement et son évolution. Cette méthode transforme le Soleil en un véritable laboratoire astrophysique, offrant des données cruciales pour affiner les modèles stellaires et mieux appréhender l’évolution des étoiles dans l’Univers.

Une nouvelle étude internationale, pilotée par Gaël Buldgen, chercheur à l’Institut d’Astrophysique et de Géophysique de l’Université de Liège, a utilisé des techniques héliosismiques pour fournir une mesure indépendante de l’absorption des rayonnements à haute énergie par le plasma solaire, dans les couches profondes de sa structure. Ces travaux apportent des éclairages inédits sur l’opacité radiative solaire, un constituant crucial pour comprendre l’interaction entre la matière et le rayonnement dans les conditions extrêmes de l’intérieur du Soleil. Les résultats obtenus confirment les observations réalisées dans des laboratoires américains de renom, tels que le Sandia National Laboratories et le Livermore National Laboratory, tout en révélant des lacunes persistantes dans notre compréhension de la physique atomique et des différences marquées entre les prédictions de groupes de recherche spécialisés aux Los Alamos National Laboratory, à l’Ohio State University et au centre de recherche du CEA Paris-Saclay.

Une précision sans précédent en modélisation stellaire

L'équipe scientifique a utilisé des outils numériques avancés développés à l'ULiège, s'appuyant sur l’expertise de l’université en héliosismologie et en modélisation stellaire. « En détectant les ondes acoustiques du Soleil avec une précision inégalée, nous pouvons reconstruire les propriétés internes de l’étoile, un peu comme on déduirait les caractéristiques d’un instrument de musique à partir des sons qu’il produit », explique Gaël Buldgen.

La précision des mesures héliosismiques est véritablement exceptionnelle : elles permettent d’estimer la masse d’un centimètre cube de matière à l’intérieur du Soleil avec une exactitude surpassant celle d’une balance de cuisine de haute précision, et ce, sans jamais voir ni toucher cette matière. L’héliosismologie, développée à la fin du vingtième siècle, a joué un rôle clé dans l’avancée de la physique fondamentale. Elle a notamment contribué à des découvertes majeures, comme celle des oscillations des neutrinos, reconnue par le prix Nobel de 2015. Ces progrès ont démontré que les modèles solaires n’étaient pas en cause dans l’origine de ce phénomène, mais des ajustements s’imposaient avec la révision de la composition chimique solaire en 2009, confirmée en 2021. Cette révision a provoqué une crise pour les modèles solaires, qui ne correspondaient plus aux observations héliosismiques.

Pour répondre à ce défi, des outils avancés ont été développés à l’Université de Liège, d’abord dans le cadre de travaux doctoraux, puis enrichis lors de collaborations internationales à Birmingham et Genève. Ces outils ont permis de revisiter les conditions thermodynamiques internes du Soleil et de rouvrir une problématique quelque peu délaissée par la communauté scientifique. En parallèle, les travaux menés en 2015 par James Bailey au Sandia National Laboratory ont mis en lumière le rôle crucial de l’opacité radiative. Ces premières expériences furent d’abord accueillies avec scepticisme car elles révélaient des désaccords importants avec les prédictions théoriques.

Les données héliosismiques apportent aujourd’hui une confirmation précieuse et permettent de préciser les régimes de température, de densité et d’énergie où ces expériences doivent se concentrer pour mieux reproduire les conditions solaires. Par ailleurs, les expériences avec la Z Machine du Sandia National Laboratory, bien que très précieuses, représentent des coûts énergétiques et financiers exorbitants. Les mesures héliosismiques, quant à elles, offrent une alternative économique et complémentaire, tout en guidant les expérimentateurs vers des fenêtres optimales pour leurs travaux en laboratoire.

Les implications de cette recherche s’étendent bien au-delà de la modélisation stellaire. Elle améliore la précision des modèles théoriques utilisés pour estimer l’âge et la masse des étoiles et des exoplanètes, contribuant ainsi à notre compréhension de l’évolution galactique et des populations stellaires en son sein. «Le soleil, c’est un peu notre grand calibrateur en évolution stellaire, notre laboratoire privilégié pour savoir à quel point on est dans le bon, ou pas. Des résultats d’autant plus importants que nous nous préparons à lancer le satellite PLATO en 2026 dont un des objectifs est la caractérisation précise d’étoiles de type solaire dans le but de chercher des planètes terrestres habitables.» De plus, ces résultats trouvent des résonances dans le domaine de la fusion nucléaire, le Soleil restant le seul réacteur de fusion nucléaire stable de notre système solaire. « Améliorer notre compréhension des conditions internes du Soleil a un impact direct sur la recherche en énergie de fusion, un enjeu clé pour le développement de solutions énergétiques propres », ajoute Gaël Buldgen.

Un appel à des modèles théoriques affinés

Les résultats obtenus soulignent la nécessité d'améliorer les modèles atomiques existant afin de résoudre les divergences entre les observations expérimentales et les calculs théoriques. Ces avancées devraient redéfinir notre compréhension de l’évolution stellaire et des processus physiques qui régissent les étoiles. Cette recherche confirme la position de l'Université de Liège à la pointe des sciences astrophysiques, démontrant le rôle clé de l’héliosismologie pour percer les mystères du cosmos.

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