Soleil, mythes et réalités

Une maquette en coupe montre les différentes couches du Soleil : son coeur, la zone radiative, la zone convective, et la photosphère qui est sa partie visible. Un jeu de billes met en évidence sa composition chimique : environ 92 % d'hydrogène et 8% d'hélium, et quelques éléments plus lourds.

Dans des conditions ordinaires de température et de pression, il y a sur Terre trois états de la matière : solide, liquide et gazeux. Mais, si l’on exclut la mystérieuse matière noire, la quasitotalité de la matière de l'Univers, depuis les nuages interstellaires jusqu'au coeur des étoiles, est à l’état de plasma. Cet état typique du Soleil et des étoiles est synonyme de gaz ionisé : les atomes qui le constituent ont perdu un ou plusieurs électrons. Au centre du Soleil, le plasma est extrêmement dense (150 fois plus que l’eau). Au fur et à mesure que l’on s’éloigne du coeur stellaire, il perd en densité, et près du disque visible, il est mille fois moins dense que l’air que nous respirons.

Le visiteur est invité à soulever une série de boîtes noires identiques mais de poids différents illustrant la densité du plasma solaire qui décroît du centre vers la périphérie.

En son coeur, le Soleil transforme chaque seconde d’énormes quantités de matière en particules de lumière très énergétiques, les photons gamma. Ces photons, à l'origine du rayonnement solaire, entrent en collision avec les noyaux et les électrons libres du plasma et mettent plusieurs millions d'années à sortir du Soleil... et 8 minutes pour arriver jusqu'à nous. Une maquette illustre ce parcours erratique des photons.

Un mouvement incessant de particules chargées dans les couches superficielles est à l'origine des variations d'intensité et de direction du champ magnétique solaire. Les dizaines de boussoles posées sur une maquette de Soleil ne cessent de s'agiter, plusieurs pôles sud et nord coexistent et leurs positions respectives évoluent rapidement.

Afin d’acquérir une connaissance précise du Soleil, les chercheurs utilisent traditionnellement la spectroscopie, une technique qui a révolutionné l'étude de la composition chimique des étoiles et plus globalement notre compréhension de l'histoire de l'Univers. Chacune des espèces atomiques constituant le Soleil possède une signature lumineuse, un code. Sous vitrine, les milliers de pages répertoriant les codes de différents éléments chimiques constituants du Soleil sont exposées.

Depuis quelques décennies, l'intérêt de la physique solaire s'est profondément affirmé. Des centaines de chercheurs à travers le monde développent des programmes consacrés à la compréhension de la “machine Soleil”.Les scientifiques cherchent à simuler les conditions extrêmes existant au centre du Soleil ou près de sa surface. Ils s'efforcent également de compter ses particules les plus insaisissables : les neutrinos.

- Le four solaire installé depuis 1968 à Odeillo, en France, dans les Pyrénées- Orientales, à 1 500 mètres d'altitude. Il bénéficie de conditions climatiques optimales : ensoleillement élevé, hygrométrie très basse.Grâce, notamment, à ses 9 500 miroirs de 45 cm de côté, cette installation permet de concentrer le rayonnement solaire en un point et d'atteindre rapidement une température de 3 500°C.

La présentation d’une plaque d'acier d'un centimètre d'épaisseur trouée en son centre après avoir été exposée seulement dix secondes dans le four d'Odeillo permet d’entrer au coeur de la machine. Un film montre les installations intérieures et extérieures et donne la parole aux scientifiques du CNRS qui présentent leurs recherches autour de deux thèmes : analyse du comportement des matériaux en milieux extrêmes et élaboration de nouveaux matériaux.

- Reproduire sur Terre la fusion : Iter et le laser Mégajoule

Au coeur du Soleil, des noyaux d'hydrogène fusionnent pour former des noyaux d'hélium. La réaction dégage une énergie considérable, à l'origine de la lumière et de la chaleur que nous recevons. Est-il possible de reproduire ces réactions de fusion sur Terre ? Avec la raréfaction à venir des énergies fossiles, les recherches sur la fusion présentent un intérêt majeur : disposer d’une énergie propre et abondante permettant de subvenir aux besoins de l’humanité pendant un milliard d’années.

Depuis une cinquantaine d'années, des physiciens travaillent sur la fusion du deutérium et du tritium, beaucoup plus facile à produire que celle de l'hydrogène. Ces deux isotopes de l'hydrogène peuvent être obtenus à partir de l'eau de mer. Pour déclencher les réactions de fusion, le mélange de deutérium et de tritium doit être chauffé à plus de dix fois la température du centre du Soleil et être confiné par des champs magnétiques intenses évitant tout contact avec les parois.

Lancé il y a une quinzaine d'années, le projet Iter, rassemble six partenaires (Union européenne, Fédération de Russie, Japon, Chine, Corée du sud, États-Unis). Les recherches devraient conduire à la construction d'un réacteur de démonstration vers 2020 puis à un raccordement au réseau quelques décennies plus tard.

La construction du laser Mégajoule a débuté en 2003 en Aquitaine. Opérationnel à la fin de la décennie, ce laser est un outil du programme Simulation, mis en place afin d’assurer la pérennité de la dissuasion sans essais nucléaires. Le laser Mégajoule, qui sera le plus puissant au monde, intéresse de nombreuses disciplines et sera ouvert à la communauté scientifique internationale.

-L'énigme des neutrinos solaires

Des particules de matière appelées “neutrinos”, de charge électrique nulle et de masse très faible, sont produites au coeur du Soleil. Ils traversent l’étoile comme si elle n’existait pas et témoignent ainsi de ce qui se déroule en son coeur profond. Chaque seconde, notre corps est traversé par 60 milliards de neutrinos solaires. Leur existence théorique a été prouvée dès les années 1930 mais c’est en 1967 que Raymond Davis crée le premier piège à neutrinos solaires. Le flux de neutrinos qu'il détecte est trois fois moindre que prévu. L'énigme des neutrinos manquants va mobiliser des centaines de chercheurs dans le monde pendant plus de trente ans. En 1998 au Japon, puis en 2001 au Canada, deux expériences clés mettent fin à l'énigme : une partie des neutrinos émis par le Soleil se transforment avant d'arriver sur Terre. Les recherches continuent notamment avec le projet Antarès, un télescope à neutrinos installé à 2 500 mètres de profondeur au large de Toulon.

Les nombreux instruments, installés au sol ou embarqués à bord de satellites, suivent minute après minute l'activité solaire. Chacun d'eux observe un aspect particulier de sa dynamique : ses taches, ses protubérances, ses éruptions, ses éjections de matière coronale..., depuis la photosphère jusqu'à la très haute couronne, et nous transmet ainsi des images magnifiques de cette matière mouvementée.

Place donc aux images, à celles transmises par les satellites Soho, Coronas, Ulysse, Trace, Rhessi et Goes ou provenant des observatoires terrestres comme celui de Thémis aux Iles Canaries dont une maquette est présentée dans l'exposition.

L'activité solaire obéit à des cycles de onze ans. Les images transmises par les satellites le prouvent depuis plus de cinquante ans et les arbres, depuis plusieurs centaines d'années. En effet, les cernes d'un arbre “enregistrent” la concentration de carbone 14 présent dans l'atmosphère. Or cette concentration diminue lorsque l'activité solaire est forte. L'observation d'une coupe de tronc d'arbre, comme celle de l'arbre tricentenaire exposée dans l'exposition, révèle la régularité de ce cycle, son intensité maximum tous les onze ans.

L’activité du Soleil a un effet sur l’environnement terrestre. Des phénomènes comme les éruptions solaires envoient des particules très énergétiques vers la Terre. Si le volet climatique soulève encore des interrogations, l’impact électrique et magnétique ne fait plus de doute. Un film présente les controverses scientifiques portant sur l'impact de l'activité solaire sur l’environnement et le climat terrestre.

Le Soleil visible brille. Le Soleil profond est invisible. En revanche, il vibre comme la peau d'un tambour, donnant naissance à des ondes qui nous renseignent sur sa composition. Analyser les fréquences des ondes permet d'identifier les différentes couches de matière à l'intérieur du Soleil et de connaître leur vitesse de rotation. Cette technique s'appelle l'héliosismologie. Une autre technique, celle de l'effet Doppler-Fizeau, est utilisée pour mesurer les légères oscillations de matière. Une maquette en coupe du Soleil permet de comprendre les mouvements d'oscillations de la matière solaire. Et une animation propose de s'initier à la technique Doppler-Fizeau.

Le paradoxe des températures. Du coeur vers la surface, la température du Soleil décroît, puisqu'on s'éloigne de la zone où se produisent les réactions de fusion. Une anomalie surgit toutefois : au-delà de la photosphère, la température augmente au lieu de continuer à chuter. Elle atteint dans la couronne plusieurs millions de degrés alors qu'elle était retombée à environ 6 000 degrés sur la photosphère. Plusieurs hypothèses ont été avancées pour expliquer ce paradoxe. On pense aujourd'hui que les champs magnétiques du Soleil jouent un rôle essentiel dans le chauffage de la couronne. Mais le processus n'est pas élucidé. Une expérience illustre ce paradoxe des températures : en déplaçant la main sur une surface, en la faisant glisser du centre à son extrémité, le visiteur sent la chaleur décroître puis remonter à nouveau.