À la fin des années 1980, les scientifiques ont réalisé qu'ils pouvaient comprendre les propriétés intérieures du soleil en observant les ondes sonores qui résonnent à l'intérieur. Cette technique, appelée héliosismologie, a révélé une couche dynamique mystérieusement mince à l'intérieur du soleil qui est devenue connue sous le nom de tachocline.
La tachocline est extrêmement mince mais il a été censé jouer un rôle majeur dans la conduite des propriétés magnétiques du soleil. Pendant des années, les scientifiques ont théorisé, calculé et modélisé ces couches du soleil, mais la question de la dynamique qui a conduit à l'existence de la tachocline est restée un puzzle mathématique extrêmement compliqué.
Maintenant, des chercheurs de l'Université de Californie à Santa Cruz ont produit les premiers modèles auto-cohérents de l'intérieur du Soleil qui intègrent la dynamique appropriée et produisent spontanément une tachocline, marquant un pas en avant majeur pour la physique solaire.
Leurs modèles ont été produits en utilisant le supercalculateur le plus puissant de la NASA, et les résultats sont publiés dans Les lettres de journal astrrophysique.
Pour nous sur Terre, la tachocline est importante en raison de son rôle attendu dans la production des champs magnétiques du soleil. Ces champs déclenchent des événements comme les éruptions solaires et les éjections de masse coronale – les explosions d'activité du soleil qui peuvent dévaster les grilles de puissance mondiales et perturber nos satellites. La prévision de manière fiable du moment où ces événements se produiront nécessite la modélisation de l'intérieur solaire avec précision, en particulier la tachocline.
Plus loin de chez eux, des informations sur les propriétés de la tachocline de notre Soleil pourraient donner un aperçu de l'activité magnétique des autres étoiles. Les scientifiques croient que les propriétés magnétiques d'une étoile peuvent être cruciales pour sa capacité à héberger d'autres planètes qui soutiennent la vie.
« Nous connaissons beaucoup d'informations sur le soleil, mais le soleil n'est qu'une étoile », a déclaré Loren Matilsky, érudit postdoctoral à UC Santa Cruz et le premier auteur de l'étude.
« Nous apprenons beaucoup sur la dynamique de notre Soleil, et dans le processus, je pense que nous apprenons également comment cela fonctionne sur d'autres étoiles. Les questions de la tachocline deviennent d'autant plus importantes à la lumière des autres systèmes et exoplanètes stellaires. »
Extrêmement mince
Matilsky, son mentor Nicholas Brummell, professeur de mathématiques appliqués à la Baskin School of Engineering, et ancienne étudiante diplômée de l'UC Santa Cruz, Lydia Korre, qui est maintenant chercheuse à l'Université du Colorado Boulder, a poursuivi cette recherche sur la tachocline dans le cadre des conséquences de la science des champs.
Ce grand groupe multi-institutionnel, dont UC Santa Cruz est une partie importante, cherche à comprendre la «dynamo» solaire, qui est le processus physique qui crée les champs magnétiques du soleil.
La tachocline joue un rôle majeur dans la dynamo solaire en ce qu'il sépare deux régions distinctes du soleil. En dessous de la tachocline se trouve la zone radiative, qui est le plus profond de 70% du soleil par le rayon et tourne de manière rigide comme le fait un baseball solide.
Au-dessus de la tachocline se trouve la zone convective, les 30% les plus externes du soleil par le rayon, qui tourne différentiellement avec la fluidité caractéristique d'un gaz. Entre ces deux zones se trouve la tachocline extrêmement mince, dont les grandes variations de vitesse jouent probablement un rôle clé dans la dynamo.
« En regardant la dynamique au départ, vous ne vous attendez pas à ce que la tachocline soit si mince parce qu'il y a plusieurs processus qui auraient tendance à diffuser la tachocline s'ils sont laissés à leurs propres appareils – donc un grand mystère est toujours` `pourquoi est-ce cette couche très, très étroite? '', A déclaré Brummell.
Depuis des années, les chercheurs ont tenté de résoudre les équations mathématiques de la dynamique du liquide magnétique pour la géométrie solaire pour confirmer les prédictions et les modèles entourant la tachocline.
Mais le soleil est une boule de gaz très puissante et turbulente, ce qui signifie qu'il existe une gamme massive d'échelles qui ont à voir avec ses mouvements, du très minuscule (disons, 10 mètres) au très grand (disons, 1 million de kilomètres). De même, il existe une vaste gamme d'échelles de temps pertinentes. Cela rend le soleil extrêmement difficile à modéliser, et les tentatives passées n'ont pas été en mesure de reproduire les processus dynamiques réalistes essentiels au travail à l'intérieur solaire.
Calculs 'Hero'
Malgré ces difficultés, Matilsky, selon ses propres mots, « accueille un bon défi ». Lui et Korre ont pris la tâche massive de produire des calculs de «héros» – des simulations mathématiques extrêmement complexes et importantes – qui ont modélisé plus précisément les processus physiques à l'œuvre dans un régime de paramètres de type solaire.
Les tentatives passées de modélisation du soleil ont eu du mal à hiérarchiser correctement les processus physiques qui influencent la dynamo solaire. Cela est encore dû à la vaste gamme d'échelles de longueur et de temps que ces processus s'étendent. Dans ce travail, pour la première fois, l'équipe a pu investir les ressources informatiques nécessaires pour obtenir la bonne commande de la dynamique.
Leurs modèles favorisent un processus appelé «propagation radiative», qui a tendance à rendre la tachocline plus épaisse au fil du temps, sur un autre processus d'épaississement considéré comme négligeable au soleil appelé «propagation visqueuse».
« Loren et Lydia ont fait des simulations très douloureuses et grandes, où nous rendons les simulations suffisamment grandes et suffisamment difficiles pour que nous puissions prioriser la viscosité en faveur du processus de propagation radiatif beaucoup plus réaliste », a déclaré Brummell.
Lors de l'exécution de leurs modèles redirifiés, en utilisant le supercalculateur des Pléiades de la NASA Ames pour des dizaines de millions d'heures de supercalcul sur 15 mois pour alimenter leurs simulations, ils ont pu créer, pour la première fois, un modèle entièrement auto-cohérent du fonctionnement de la tachocline.
Sans l'inciter à le faire spécifiquement, leurs modèles de zones convectives et radiatifs ont spontanément produit une tachocline. Fait intéressant, ce sont les forces produites par la dynamo fonctionnant dans la zone convective qui étaient la clé pour maintenir la minceur de la tachocline dans ce modèle.
« Il y a une synergie ici, car la tachocline est censée jouer un rôle fondamental dans la cause du processus de dynamo. Il semble maintenant que l'inverse peut également être vrai, dans le sens où le champ magnétique de la dynamo peut provoquer l'existence de la tachocline en premier lieu », a déclaré Matilsky.
