Auteur: Serge Boisse
Date: Le 23/03/2023 à 18:03
Type: web/MOC
Tags: astronomie,soleil
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Tout savoir sur le Soleil

Pour les anciens, le Soleil était, soit un Dieu, soit un objet surnaturel. Il était, et est toujours, la source de toute vie. Mais le Soleil a perdu une partie de sa superbe lorsque, en 1612, gallilée l'observa pour la première fois avec la lunette à double lentille qu'il venait d'inventer : en projetant l'image du soleil sur une feuille de papier blanc, il remarqua que le disque blanc du soleil était constellé de tâches sombres : le Soleil était donc un objet "impur", un objet matériel ! Ce fut le début de l'étude scientifique du Soleil, et celle-ci a révélé bien des surprises. C'est cette histoire passionnante que je vais vous raconter dans cette page :

Qu'est-ce que les taches solaires ?

Voici un modèle 3D du Soleil créé par la NASA : Déplacez-le, zoomez !

On remarque bien que la surface du n'est pas homogène : certaines zones sont bien moins brillantes que leur voisinage. Ce sont les fameuses "tâches solaires". Que sont-elles en réalité ?

Galilée se l'est longtemps demandé. Mais il avait compris que les taches étaient bel et bien à la surface du soleil, et non entre la Terre et le Soleil.
En effet, ces taches se déplacent de gauche à droite.
Celles près de l’équateur prennent 25 jours pour faire le tour.
Celles à 45° de latitude prennent environ 28 jours.
Ce déplacement des taches montre que le Soleil tourne sur lui-même en 25 jours environ.
Elles évoluent lentement, et leur nombre varie, selon un cycle d'environ onze ans.

On sait maintenant que ces tâches sont des bulles de gaz plus froides que la photosphère ambiante
(4 500 °C contre environ 5 800 °C pour la photosphère),
et sont dues à une augmentation locale du champ magnétique. Elles paraissent petites, mais elles sont plus grandes que la Terre ! Leur dimension peut atteindre plusieurs dizaines de milliers de km, soit plusieurs fois le diamètre de la Terre (qui est de 12 700 km). C'est parce que le Soleil est très grand que nous les croyons petites.

A quelle distance se trouve le Soleil ?

Pendant des milliers d'années les humains ont cru que les astres étaient tous à la même distance, fixés sur la "voûte céleste" entourant la Terre.

Mais vers 280 avant JC, Aristarque de Samos, un Grec, comprit que les éclipse de Soleil étaient dûes au passage de la Lune entre la Terre et le Soleil. Donc le Soleil était plus éloigné que la Lune ! Combien de fois plus loin ? Aristarque était un génie de la géométrie, et il utilisa la géométrie pour calculer cette distance !

Aristarque mesura donc l'angle Φ entre le Soleil et la Lune lorsque la Lune était exactement demi-pleine, une mesure difficile. Il trouva 87°. Comme cos Φ = TL / TS (où TL est la distance terre-lune et TS la distance terre-soleil), il en déduisit que TS / TL ~ 1/cos 87° soit environ 19, et donc que le soleil était 19 fois plus loin que la lune !

En réalité cet angle fait 89,853° si bien que le Soleil est en réalité 390 fois plus loin que la Lune : Comme la distance de la Terre à La lune est en moyenne de 380 000 km, on en déduit la distance moyenne Terre-Soleil : 149 600 000 km, soit 149,6 millions de Km, ou encore 149,6 x 106 km.

Le soleil est si loin que sa lumière met huit minutes pour nous parvenir. Mais la distance Terre-Soleil n'est pas tout à fait constante, et la terre décrit (en 1 an) une orbite qui n'est pas parfaitement circulaire autour du Soleil : c'est en réalité une ellipse. Le point de l'orbite le plus proche du Soleil s'appelle le périhélie (Du grec Helios, qui signifie Soleil). Le point le plus éloigné s'apelle l'aphélie.

Curieusement, c'est en hiver (de l'hémisphère nord) que la terre est le plus proche du Soleil : Les saisons ne sont pas dues à la variation de cette distance, qui est assez faible, mais à l'inclinaison de l'axe de rotation de la Terre sur elle-même.

Quelle est la taille du soleil ?

C'est encore une fois dans la grèce antique que les humains ont commencé à penser que le ciel était plus vaste que ce que l'on pouvait imaginer auparavant.

À Héraclite prétendant (vers l’an -500) que le Soleil n’était pas plus gros que le pied humain, Anaxagore répond : "Il est plus grand que la Grèce !" Mais il ne se doutait pas à quel point.

Pourtant , trois siècles plus tard, Aristarque, encore lui, se dit que puisque au moment d’une éclipse de Soleil,le diamètre apparent du Soleil est égal à celui de la Lune vu de la Terre, et puisque Le Soleil est bien plus loin que la Lune, alors c'est qu'il est bien plus gros de la même quantité.

Le Soleil est 390 fois plus loin que la Lune et donc il est 390 fois plus gros en diamètre réel. Notons que c'est un hasard extraordinaire qui fait que les diamètres apparents (angulaires) de la lune et du Soleil sont quasiment les mêmes. Aucune autre planète du système solaire n'a un satellite qui, comme la Lune, soit à la fois aussi gros et aussi proche.

Toujours est-il que comme la Lune est 3 à 4 fois plus petite que la Terre, on en conclut que le diamètre du Soleil est environ 100 fois plus grand que la Terre. Diamètre du Soleil : 1 392 000 km (soit plus précisément 109,6 fois le diamètre de la Terre) En volume, le Soleil est donc 1 300 000 fois plus gros que la Terre !(Rappelons que le volume est proportionnel au cube du diamètre).

Voici une image qui représente, à la même échelle, le Soleil et les planètes qui tournent autour :

Face au Soleil, la terre (Earth) est minuscule. Et pourtant, comme nous le verrons, le Soleil est une étoile très banale !

Quelle est la masse du soleil ?

Bonne question ! Si nous savions combien le soleil pèse, comme nous connaissons sa taille, nous pourrions en déduire sa densité, et commencer à avoir une idée de quoi il est constitué ! C'est là qu'intervient Isaac Newton, et sa loi de la Gravitation universelle. C'est en effet cette loi qui va nous permettre de calculer combien pèse le Soleil.

La force d’attraction gravitationnelle F qu’exerce le Soleil sur la Terre dépend de sa masse M, de celle m de la Terre et de la distance R entre eux :
$F=GMm/R^2$
où G = est la constante d’attraction gravitationnelle de Newton, qui vaut 6,67 x 10-11 N-m2 / kg2 

Quand un objet décrit une trajectoire circulaire de rayon $R$ (ce qui est pratiquement le cas pour la Terre dont l’orbite est quasi-circulaire), avec une vitesse v, alors cet objet subit une accélération centripète $a=v^2/R$.

Selon la 2ème Loi de Newton, $F=ma$. Or, $F=GMm/R^2$ et $a=v^2/R$.
De plus, $v=2\pi R/T$ où T est la période de révolution. En regroupant le tout, on peut exprimer la masse M du Soleil comme étant

$M=4{\pi }^2{R}^3/G{T}^2$

Avec R = 1,496 x 10^11 m et T = 365,25 x 24 x 3600 s = 3,15 x 10^7s, on trouve pour la masse du Soleil :
$$M=2\times {10}^{30}\text{kg}$$Comparé à la Terre (dont la masse est $6\times {10}^{24}$ kg), le Soleil est donc 333 000 fois plus massif. Sa densité n’est cependant que 1,4 fois celle de l’eau alors que celle de la Terre est 5,5 fois.

Ce résultat stupéfia les contemporains de Newton : La matière dont le soleil est faite est très légère. Ce n'est donc pas du charbon comme on le pensait alors ! Mais alors, qu'est ce que c'était ?

De quoi est fait le soleil ? Quelle est sa composition ?

en 1835, le philosophe Auguste compte déclara que la composition chimique du Soleil et des étoiles resterait à jamais impossible à connaître...

Et pourtant, quelques années plus tard, le mystère était résolu ! C'est l'analyse de la lumière émise par le Soleil qui apporta la solution. Dès 1680, Newton (le même que celui de la gravitation universelle) avait remarqué qu'un prisme permettait de décomposer la lumière blanche du soleil selon les couleurs de l'arc-en-ciel.

En 1814, Joseph von Fraunhofer observa en 1814 les raies d'absorption du spectre solaire, auxquelles il donna son nom. Pour observer ces raies, Fraunhofer fit passer la lumière solaire à travers un prisme afin de la décomposer en différentes couleurs. Il constata alors la présence de lignes noires ou l’absence de certaines couleurs dans le spectre obtenu. Que pouvait bien signifier la présence de ces lignes noires ? Quel était donc le message du Soleil ?

Les physiciens du XIXe siècle cherchèrent donc à re-créer ces raies en laboratoire... Et ils y parvinrent ! Ils découvrirent qu'un gaz chaud émet des raies brillantes, mais qu'un gaz froid crée des raies sombres dans le spectre de la lumière blanche qui le traverse.

Chaque gaz émettait et absorbait différentes raies, qui lui sont spécifiques. Les raies sombres dans la lumière du soleil étaient donc dues au passage de la lumière émise par le coeur du soleil au travers de son immense atmosphère, puis, plus près de nous, par l'atmosphère terrestre. En comparant ces raies avec celles que l'on pouvait obtenir en laboratoire, en chauffant différent gaz, on allait pouvoir déterminer la composition du Soleil !

On identifia ainsi rapidement, que le Soleil contenait beaucoup d'Hydrogène, et un peu d'Oxygène, de Carbone, de fer, de Sodium et de Calcium. Il y avait toutefois un groupe de raies que l'on n'arrivait pas à reproduire en laboratoire, et qui était dû à un élément jusque là inconnu sur Terre, auquel on donna le nom d'Hélium. (Rappelons que Helios, en grec, signifie Soleil)

La spectroscopie, l'étude des spectres, venait de naître. Elle n'a cessé de perfectionner. On sait aujourd'hui exactement la composition du soleil, et celle de nombreuses autres étoiles.
Composition du Soleil : Hydrogène 73,5 % Hélium 24,9 % Oxygène 0,77 % Carbone 0,29 % Fer 0,16 % Néon 0,12 % Azote 0,09 % Silicium 0,07 % Magnésium 0,05 % Soufre 0,04 %

La composition du Soleil trahit son « jeune » âge, relativement à celui de l'univers. En effet, selon la théorie du Big Bang (théorie dont toutes les conséquences prévisibles ont été vérifiées), Les premiers noyaux atomiques se sont formés environ 3 minutes après le Big Bang. Très exactement 73% de cette matière était de l’hydrogène (proton, deutérium, tritium). Le reste, soit 27 %, était constitué de noyaux d’hélium. Il n'y avait rien d'autre à ce moment là. Uniquement de l'hydrogène et de l'hélium. (Expliquer pourquoi dépasserait le cadre de cet article).

Les autres noyaux atomiques (carbone, oxygène, etc) se sont formés plus tard au coeur des étoiles, ancêtres du Soleil, au moment où ces étoiles mourraient en explosant. Il y a donc eu plusieurs générations d’étoiles avant le Soleil, chaque génération étant plus riche en éléments "exotiques" (autres que H et He) que la précédentes. Les calculs montrent que le Soleil est une étoile de la 3e génération, et qu'il est né il y a 5,5 milliards d'années. Mais comment sait-on tout cela ? Pour le comprendre il faut faire un détour par la physique et expliquer comment le Soleil et les étoiles fonctionnent.

Quelle est la puissance du Soleil ?

Nous pouvons en avoir une petite idée en nous bronzant sur une plage : le Soleil nous chauffe, et beaucoup, bien qu'il soit à cent cinquante millions de kilomètres de distance !

En fait, quand parle de thermodynamique, (la science (de la chaleur et de l'énergie), la première chose est de ne pas confondre chaleur et température. La température se mesure avec un thermomètre. La chaleur, elle est une énergie, qui se mesure en Joules : elle provoque les variations de température. Pour mesurer la puissance du soleil, nous avons besoin de mesurer avec quelle vitesse son rayonnement réchauffe, par exemple un litre d'eau initialement à 0°C, soumis au rayonnement solaire, et soigneusement isolé de toute autre source de chaleur. Ce genre d'expérience, pas si facile à faire avec précision, a été fait au XIXe siècle et le résultat a été le suivant : chaque mètre carré sur terre, s'il fait face au Soleil, reçoit un flux lumineux de Φs = 1368 Joules par Seconde, c'est à dire de 1638 Watts. L'équivalent d'un radiateur électrique, sur chaque mètre carré de la Terre ! Sans le Soleil, notre planète serait entièrement gelée.

Mais le Soleil irradie sa lumière dans toutes les directions...

Et donc il faut l'imaginer entouré d'une immense sphère virtuelle dont le rayon r serait la distance Terre-Soleil, soit 150 millions de km. Et chaque metre carré de cette immense sphère reçoit le même flux lumineux Φs de 1368 W ! Cela donne le vertige. J'espère que vous réalisez maintenant l'immense puissance du Soleil.

Mais les mathématiciens n'ont pas peur des grand nombres. Notre sphère a donc une surface S = 2,81 x 10^23 m2,et elle recevra une puissance totale P = Φs x S. 

La puissance P du Soleil est donc P = 3,84 x 10^26 W.

Un "3" suivi de vingt-six zéros ! encore une fois ce résultat stupéfia les physiciens. Aucune combustion, aucun processus chimique ne peut dégager une telle énergie. Et encore, la lumière n'est pas tout !

En effet, le soleil envoie continuellement un flux d'ions et d'électrons, appelé vent solaire. Les astronautes d'Appollo ont mesuré ce vent solaire. A chaque seconde, le soleil projette (et perd) un million de tonnes dans l'espace sous forme de vent solaire. Mais il est si lourd que cela ne compte guère.

En revanche, parce qu'il contient des particules chargées d'électricité, le vent solaire, en arrivant sur la terre, provoque des phénomènes qui peuvent être magnifiques (les aurores boréales) ou dramatiques, en particulier pendant les éruptions solaires, des phases imprévisibles où l'intensité du vent solaire peut décupler : destruction de satellites, de composants électroniques, de lignes à haute tension, etc.

Incidemment, quelle que soit la source d'énergie du Soleil, Einstein avait montré dès 1905 que l'énergie, c'est de la masse, et réciproquement (E =m c2). Donc, puisque le Soleil perd de l'énergie, il perd de la masse. Et Vu la puissance du Soleil, c'est une masse non négligeable : il perd chaque seconde 4,3 x109 kg. Mais il est si lourd que, encore une fois, cela ne compte guère. Il pourra brûler encore des milliards d'années. Combien, au fait ? Il va nous falloir encore un peu plus d'informations pour le déterminer :

Quelle est la température du soleil ?

Pour le savoir, il faut encore recourir aux lois de la thermodynamique : Tout objet dont la surface est à une température T émet un flux d’énergie Φ (prononcer : phi) tel que $\Phi =\sigma T^4$ où $\sigma =5,67\times {10}^{-8}W.m^{-2}{K}^{-4}$.
Si on connaît Φ, on peut donc en déduire la température T (en degrés kelvin) : $T=(\Phi /\sigma {)}^{1/4}$.
Le flux d’énergie Φ émis par le Soleil à sa surface, s’obtient en divisant sa puissance P par sa surface S, soit : $\Phi =P/S$ où $S=\pi D^2$ et où D est son diamètre.
Ainsi $T=(P/\pi D^2\sigma {)}^{1/4}$. En remplaçant P = 3,84 x 10^26 W et D = 1,4 x 10^9 m dans cette équation, on trouve que la température à la surface du Soleil est :

T = 5 760 °K, soit environ 6000°C.

Attention, c'est la température de la surface du soleil. L'intérieur est bien plus chaud !

Comment fonctionne le Soleil ? D'où tire-t-il sa puissance ?

Si la température à la photosphère du Soleil est de 5 760 °K, il n’en est pas de même pour la température en son coeur qui avoisine les 15 millions de degrés !

C’est la température requise pour fusionner les protons. Le secret de la puissance solaire réside dans la fusion thermonucléaire. Aucune réaction chimique ne pourrait fournir une telle puissance.
Le mécanisme complet du Soleil est compliqué : plusieurs réactions nucléaires ont lieu simultanément dans son coeur.
La principale séquence de fusion nucléaire du Soleil est celle illustrée ci-dessous où 4 protons se fusionnent pour former un noyau d’hélium 4.

Deux paires de protons se fusionnent en libérant un positron et un neutrino pour former une paire de deutériums et protons qui eux-mêmes se fusionnent en libérant une paire de photons gamma pour former une paire de noyaux d'hélium-3 qui se fusionnent à leur tour en libérant deux protons pour former finalement un noyau d'hélium-4.

À chaque seconde, 9 x 10^37 protons se fusionnent ainsi pour libérer 3,9 x 10^26 joules d’énergie.

Quel âge a le Soleil ?

L’Univers est âgé de 15 milliards d’années. Les plus vieilles roches sur Terre ont 4,2 milliards d’années. Les plus vieux astéroïdes du système solaire ont 4,6 milliards d’années. Le Soleil, la Terre, les autres planètes et les astéroïdes se sont formés à peu près en même temps à partir d’un nuage protoplanétaire, il y a 4,6 milliards d'année.
L’Univers avait donc déjà 10 milliards d’années quand le Soleil est né.

Combien te temps le soleil brillera-t-il encore ? Combien de temps lui reste-il à vivre ?

Pour le savoir, il faut savoir comment meurent les étoiles ! En étudiant des milliers d'étoiles, au début du XXe siècle, Hertzsprung et Russell étudièrent la relation entre la luminosité et la température de surface des étoiles. Ils arrivèrent à la conclusion que la majorité des étoiles se trouvent dans une région précise d'un graphique luminosité-température, que l'on appelle la séquence principale.

En effet, 80% des étoiles se situent sur une bande diagonale du graphique. On appelle cette bande séquence principale. La plupart des étoiles s'y retrouvent puisqu'elles y passent la plus grande partie de leur vie. Le Soleil s'y trouve lui aussi.

Et les autres ? Ce sont celles qui sont, soit au début, soit à la fin de leur vie. En effet, Durant la majorité de sa vie, une étoile se déplace sur le diagramme. À la fin de sa vie, elle quitte la séquence principale et devient une géante rouge puis une naine blanche

En effet, le destin d'une étoile ne dépend finalement que d'une seule chose : sa masse initiale. Paradoxalement, les petites étoiles, plus petites que le soleil, vivent bien plus longtemps que les grosses, qui gaspillent leur énergie et épuisent vite leur "carburant" d'hydrogène et d'hélium. Ainsi, les petites étoiles (en bas du diagramme ci-dessous)vivent paisiblement et se refroidissent tout doucement.

Les très grosses étoiles, en revanche, (en haut du diagramme) ont un destin tragique : à un moment donné, la température dans leur coeur devient telle (des milliards de degrés !) que les réactions nucléaires s'inversent brusquement et consomment de l'énergie au lieu d'en produire ! Le résultat est une catastrophe cosmique : en quelques heures, l'étoile s'effondre brutalement sur elle-même, puis explose en projetant une immense quantité de matière dans l'espace (qui servira à former les étoiles de la génération suivante). Selon la masse de l'étoile, elle devient une étoile à neutron ou, pour les vraiment très grosses, un trou noir.

Et le Soleil, dans tout ça ? Eh bien il se situe au milieu. Suivant le modèle des autres étoiles comparables, le Soleil qui a 4,6 milliards d’années, connaîtra une période de réchauffement progressif de 7% par milliard d’années durant les prochaines 5 milliards d’années. Il se dilatera en géante rouge dans 5,5 milliards d’années. Son diamètre sera alors 100 fois plus grand et dépassera celui de l’orbite de Vénus. La Terre, si elle est encore là, sera complètement calcinée. Le Soleil s’effondrera ensuite en naine blanche dans 6,5 milliards d’années Il restera à l’état de naine blanche durant encore plusieurs milliards d’années avant de s’éteindre complètement à l’âge vénérable de 14 milliards d’années.

Comment se  compare le soleil par rapport aux autres étoiles ?

Selon la classification de Harvard, le Soleil se trouve dans la classe G. Il existe des centaines de millions d’étoiles comparables au Soleil dans notre Galaxie. C’est donc une étoile « banale », et assez petite...

L'image ci-dessous montre le Soleil comparé à certaines de ses voisines :

Arcturus est une grosse étoile, mais que dire alors de Antarès ! Dans l'image ci-dessous, le Soleil ne fait que... 1 pixel !

Mais finalement c'est tant mieux car, comme nous l'avons vu, les très grosses étoiles ne vivent pas longtemps : à peine quelques dizaines de millions d'années. Ouf !

Où se situe le Soleil dans la galaxie ?

Et bien, il est très loin du centre, dans ce que l'on appelle le "bras d'Orion". Notre galaxie, la voie lactée, contient cent milliards d'étoiles. A l'échelle de l'image ci-dessous, il est complètement invisible.

Pourquoi le soleil a-t-il des planètes ?

Parce que c'est une étoile comme les autres, et que presque toutes les étoiles ont des planètes ! C'est la grande découverte astronomique de ces dix dernières années : On a découvert plus de 3000 planètes hors de notre système solaire, tournant autour d'autres étoiles, et c'est loin d'être fini ! En fait, le Soleil et ses planètes (dont la Terre) se sont formés quasiment au même moment (astronomiquement parlant, bien sûr : cela veut dire, tout de même, dans un laps de temps de quelques centaines de millions d'années), il y a presque cinq milliards d'années, à partir du même nuage de matière, qui s'est lentement condensé sous l'effet de son propre poids. D'où venait ce nuage ? La galaxie en est pleine ! A chaque fois qu'une étoile explose, elle crée un nuage de matière qui s'éloigne d'elle. Quand deux nuages se rencontrent, ils se condensent et cela crée de nouvelles étoiles. La galaxie est vivante, des étoiles meurent, d'autres naissent !

Le système Solaire est-il spécial dans l'univers ?

C'est étrange, car le Soleil est une étoile banale, mais le système solaire,lui, n'est pas banal. Apparemment, très peu de systèmes extra-solaires sont constituées, comme le nôtre, de petites planètes proches de leur étoile et de grosses planètes gazeuses orbitant majestueusement à grande distance. Au contraire, énormément de systèmes planétaires semblent constitués, à l'inverse, de planètes géantes proches de leur étoile et de petites planètes plus lointaines. C'est troublant, car ces systèmes sont instables et leurs planètes ne peuvent avoir des orbites suffisamment stables pendant une période suffisamment longue pour que la vie y apparaisse.

Alors, qu'est ce qui rend le système solaire unique, ou presque ? Il se trouve que Jupiter et Saturne sont dans des orbites dites résonantes : quand Jupiter fait cinq tours autour du Soleil, Saturne en fait deux. Cette configuration est très stable. Les astronomes pensent maintenant que, lors de la création du système solaire, Jupiter et Saturne étaient beaucoup plus proches du Soleil que maintenant, et qu'ils étaient en résonance 1:2 .Mais à cause de cette résonance, très intense, ils se sont lentement éloignés, en "balayant" l'espace intérieur, ce qui a permis aux petites planètes, dont la Terre, de se former et d'orbiter sur des orbites stables.

Si l'on ajoute à cela le fait que, il y a quatre milliards et demi d'année, la Terre a été heurtée de plein fouet par un corps céleste de la taille de Mars, dont les débris, mêlés à des débris de la terre elle-même, ont formés la Lune, on se dit que notre Terre a quelque chose de singulier, et peut-être d'unique. Ce qui ne la rend que plus précieuse. Il se pourrait que la vie dans l'univers soit bien plus rare qu'on ne pensait il y a vingt ans seulement.

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