Le Soleil est l'une des cent milliards d'étoiles de notre galaxie mais c'est l'étoile la plus proche de nous à quelque cent cinquante millions de kilomètres, et donc la mieux observée.
DE QUOI EST FAIT LE SOLEIL ?
Les proportions relatives des divers éléments chimiques du système solaire et du Soleil sont connues grâce à deux sources principales :
L'analyse du rayonnement émanant de la photosphère du Soleil. On ne peut observer directement l'intérieur du Soleil. On analyse la lumière visible, mais aussi les rayonnements non visibles à l'½il nu : les ondes radio, l'infrarouge, l'ultraviolet, les rayons X et gamma. Tous ces rayonnements forment le spectre du Soleil.
L'analyse en laboratoire des météorites permet de déterminer la composition isotopique de la matière qui constitue le système solaire. Globalement, un gramme de matière du Soleil est composé de 0,70 g d'hydrogène, de 0,28 g d'hélium et de 0,02 g de tous les autres éléments chimiques de la table périodique de Mendeleïev. Mais l'observation ne suffit pas, elle doit s'accompagner d'études théoriques de physique.
LE SOLEIL MODÉLISÉ
Les chercheurs élaborent un modèle physique du Soleil. Celui-ci permet de déterminer les paramètres physiques (densité, température, pression, composition chimique, bilan d'énergie...) à toutes les profondeurs, depuis sa surface jusqu'à son c½ur.
Les caractéristiques physiques calculées par le modèle de la surface observable du Soleil – rayon, luminosité, température – sont comparées et mises en conformité avec les caractéristiques correspondantes du Soleil réellement observées.
D'autres grandeurs permettent de vérifier que le modèle est bon : l'une des plus pertinentes est le flux de neutrinos qui transporte l'énergie du centre du Soleil vers sa surface et que les physiciens sont maintenant capables de détecter et d'étudier. Ce flux est le témoin du bon fonctionnement du réacteur nucléaire solaire.
De plus, le Soleil est une sphère gazeuse en perpétuels mouvements, il oscille. Ces oscillations sont étudiées notamment à l'aide du satellite Golf, auquel a largement contribué le CEA. Ainsi lorsque le modèle est finement ajusté et est en accord avec les observations, les propriétés internes du Soleil peuvent être déduites.
La même opération de modélisation (simulation numérique) peut être répétée sur des étoiles de masse et de composition initiales variées. La simulation numérique est l'instrument privilégié de l'étude de la nucléosynthèse dans le big-bang et les étoiles.
LES NEUTRINOS SOLAIRES
Le neutrino est une particule de la même famille que l'électron, transportant de l'énergie, sa masse est très faible. Les neutrinos sont produits lorsque les protons se transforment en neutrons. Le flux de neutrinos détecté sur Terre, plus faible que celui calculé, a longtemps préoccupé les astrophysiciens. Mais nous savons aujourd'hui, grâce à des mesures précises effectuées par des détecteurs souterrains (expériences Gallex en Europe, Superkamiokande au Japon, SNO au Canada), que le déficit de neutrinos n'est pas imputable au Soleil. Il s'explique par le fait que ces particules oscillent entre trois états, et que les détecteurs, sensibles à seulement l'un d'entre eux, n'en capturent qu'un tiers.
On peut reconstituer et suivre ainsi l'évolution du Soleil de sa naissance jusqu'au moment où son enveloppe se détachera et où subsistera un objet compact et dense : la naine blanche.
ESPÉRANCE DE VIE DU SOLEIL ET DES ÉTOILES
La fusion de l'hydrogène est suffisante pour alimenter le Soleil durant la plus grande partie de sa vie lumineuse. Pour chiffrer son espérance de vie, il faut comparer ses réserves et sa consommation d'énergie.
Les calculs, pratiqués au moyen du modèle solaire, indiquent que la quantité d'énergie nucléaire totale dont dispose le Soleil sera épuisée au bout de dix milliards d'années environ. Ce chiffre est deux fois supérieur à l'âge des plus vieilles roches terrestres, lunaires et météoritiques (4,6 milliards d'années). On estime que tous les corps du système solaire sont nés quasiment en même temps. Ainsi le Soleil, âgé de 4,6 milliards d'années, est au milieu de sa vie.
CALCUL DE L'ESPÉRANCE DE VIE DU SOLEIL
Plus de 10 % de la masse du Soleil est convertie en hélium.
On peut, en première approximation, considérer qu'il est constitué, au départ, d'hydrogène pur. Comme 0,7 % de la masse d'hydrogène sera convertie en énergie par la formation des noyaux d'hélium, la quantité d'énergie nucléaire totale dont dispose le Soleil est Enuc = 0,1 x 0,007 x Mc2 = 2,10.1033 Mev.
La durée de vie du Soleil est obtenue en divisant la réserve par la consommation. On obtient dix milliards d'années, environ.
Un électronvolt est une unité de mesure = 1,602.10-19 joules (1 MeV = 1 million d'électronvolts). M = masse solaire = 1,991.1030 kg (voir tableau Étapes non-explosives de fusion thermonucléaire dans une étoile de 25 fois la masse du Soleil).