Extrait du livre "LA TERRE BOMBARDÉE"de Michel-Alain Combes
Définitions concernant l'impactisme invisible :Ce chapitre est consacré à la troisième forme d'impactisme (avec les formes macroscopique et microscopique), invisible celui-là, mais bien réel et particulièrement sournois, surtout à certaines époques quand le bouclier géomagnétique est provisoirement détruit et ne joue plus, pour plusieurs milliers d'années, son rôle protecteur.
Nous avons donné dans l'avant-propos une définition de l'impactisme invisible qui regroupe en fait deux impactismes assez différents, mais qui ont la particularité commune de ne pas être identifiables à l'œil nu : les particules d'une part et les poussières et les gaz d'autre part.
Rappelons cette définition sous sa forme simple :
" L'impactisme invisible concerne les rayonnements divers générés par les étoiles, dont le Soleil, et appelé impactisme particulaire, et aussi les gaz et les poussières d'origine cosmique qui rencontrent la Terre au cours de son périple dans le Système solaire et dans la Galaxie. "
Certains auteurs refusent de considérer cet impactisme comme un véritable impactisme. Cela nous semble une erreur, tout à fait infondée. C'est une source différente, mais bien réelle, de matière et de rayonnements à laquelle la Terre est confrontée en permanence, mais d'intensité très variable, et à laquelle la vie s'est parfaitement adaptée.
« Adaptée » veut dire qu'elle a évolué en fonction des quantités reçues et des conséquences qui en ont découlé. En fait, l'impactisme invisible a des conséquences uniquement biologiques et il agit donc d'une manière significative uniquement sur la biosphère terrestre. C'est la raison pour laquelle, dans La Terre bombardée de 1982, nous l'avions intégré dans le chapitre regroupant "Les conséquences biologiques et humaines de l'impactisme", et non dans celui consacré aux conséquences terrestres.
Comme nous le verrons en détail dans la partie "Conséquences", aux chapitres 15 et 16, l'impactisme invisible joue un rôle déterminant dans l'évolution des espèces, car il est à l'origine de mutations génétiques et chromosomiques, irréversibles et parfois explosives.
On le considère aujourd'hui comme responsable du "bruit de fond" des extinctions, bien mis en évidence à l'échelle géologique.
Paradoxalement, on assimile ce bruit de fond à une évolution "gradualiste", on pourrait dire "darwinienne". L'évolution "catastrophiste" concerne plutôt, selon les critères actuels, les extinctions de masse (cinq seulement ont droit à ce titre), les extinctions secondaires (une vingtaine) et mineures (une grosse trentaine), qui au total ne dépassent pas la soixantaine pour les périodes géologiques depuis le Cambrien. Mais précisons bien que cette facilité de langage ne doit pas cacher l'essentiel : l'évolution due à l'impactisme particulaire est bien, elle aussi, catastrophiste, mais elle est permanente à l'échelle géologique, alors que celle due à l'impactisme macroscopique est épisodique, ponctuée pour reprendre un terme à la mode, et associée aux "véritables" extinctions.
Dans ce chapitre, nous étudions l'impactisme invisible en tant que cause, au même titre que les astéroïdes et les comètes qui constituent, nous l'avons vu, le volet macroscopique de l'impactisme.
Pour bien saisir tout l'intérêt et l'importance de cet impactisme invisible, et aussi pour éclairer les lecteurs qui ne sont pas obligatoirement familiers de la physique et de l'astrophysique, il est utile de rappeler d'abord la définition de quelques termes et concepts usuels que nous allons retrouver dans ce chapitre et dans d'autres chapitres ultérieurs.
Aurore polaire : phénomène atmosphérique qui résulte du bombardement des molécules de la haute atmosphère par les rayonnements corpusculaires du Soleil. Elles s'étendent entre 110 et 400 km d'altitude et peuvent prendre des formes diverses.
Eruption solaire : brusque décharge d'énergie émise par les régions actives du Soleil, pouvant atteindre 1025 joules et une vitesse de 1500 km/s environ, et qui se manifeste au niveau terrestre par des orages magnétiques, des aurores polaires et des perturbations dans les communications radiotélégraphiques.
Ion : atome qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons. Un ion est positif (cation) lorsqu'un atome perd un ou plusieurs électrons et acquiert ainsi une ou plusieurs charges positives. Un ion est négatif (anion) lorsqu'un atome gagne des électrons et acquiert ainsi des charges négatives.
Neutrino : particule de masse nulle et dénuée de charge électrique, émise dans la radioactivité bêta en même temps que l'électron. Les neutrinos solaires sont émis par le cœur thermonucléaire du Soleil.
Plasma : gaz porté à haute température, formé d'un ensemble d'électrons négatifs et d'ions positifs en équilibre avec des molécules et des atomes non ionisés dont le nombre est d'autant plus faible que la température est plus élevée. C'est un milieu sur lequel les champs électromagnétiques ont une influence prépondérante.
Rayonnement : ondes et particules associées, assurant un transport d'énergie dans tout l'Univers à partir de sources multiples. On distingue principalement le rayonnement corpusculaire, formé essentiellement par des particules telles que protons, neutrons, électrons et noyaux, et le rayonnement électromagnétique, associé, lui, à des ondes électromagnétiques ou à des photons associés.
Rayons cosmiques : radiations provenant de l'espace intersidéral, constituées par des particules animées d'une très grande énergie (quelques dizaines de milliards d'électronvolts) provoquant dans l'atmosphère l'explosion d'atomes et la formation de gerbes de corpuscules.
Vent solaire : flux de particules chargées, principalement des protons et des électrons, qui s'échappent en permanence de la couronne solaire dans le Système solaire jusqu'à plusieurs milliards de kilomètres, et dont certains effets sont assez comparables à ceux du vent terrestre. Sa vitesse au voisinage de la Terre varie énormément selon l'activité du Soleil : entre 250 et 850 km/s, ce qui est une vitesse tout à fait considérable. Il a une grande influence sur le champ magnétique terrestre.
UNE DÉCOUVERTE RÉVOLUTIONNAIRE : LA RADIOASTRONOMIEJames Maxwell (1831-1879), le célèbre physicien anglais, avait pressenti le caractère électromagnétique de la lumière, découverte majeure qui fut prouvée par son confrère allemand Heinrich Hertz (1857-1894). Celui-ci, en 1888, mit le premier en évidence l'existence d'ondes radio, utilisables comme moyen de transmission. Ces deux géants de la physique, qui ont chacun une unité qui porte leur nom (1), allaient être à la base de tous les développements ultérieurs qui ont débouché sur une autre découverte révolutionnaire et totalement imprévisible pour tous les chercheurs antérieurs : les corps célestes, et l'Univers en général, nous envoient des messages sous forme de rayonnements invisibles mais néanmoins décelables à certaines longueurs d'onde.
La radioastronomie (2), à l'origine de laquelle est attaché le nom de l'ingénieur américain Karl Jansky (1905-1950) qui mit en évidence, en 1931, l'existence d'ondes venant de l'espace, permit de se rendre compte de l'extraordinaire violence de l'Univers, à travers l'étude d'une multitude d'astres différents. Le Soleil fut bien sûr le premier sujet d'étude, ses émissions ayant des conséquences directes pour la Terre, mais rapidement les radioastronomes mirent en évidence des "objets" et des "phénomènes" nouveaux (3), comme les quasars, les pulsars, les radioétoiles, les radiogalaxies, les restes de supernovae, les nuages et les molécules interstellaires, le rayonnement cosmologique et le rayonnement synchrotron. On peut vraiment dire qu'avec la radioastronomie, c'est une nouvelle vision de l'Univers qui apparut, beaucoup plus complète (et aussi complexe) que l'ancienne qui se limitait à la fort étroite fenêtre optique. Des raies spectrales particulièrement intéressantes furent mises en évidence, comme la "raie 21 cm" de l'hydrogène à l'état atomique.
LES DIFFÉRENTS TYPES DE RAYONNEMENTSLa Terre reçoit constamment du Soleil et de l'Univers galactique et même extragalactique des ondes électromagnétiques sous forme de rayonnements, dont l'œil humain (appareil d'enregistrement très imparfait) ne perçoit qu'une très faible partie : la lumière visible.
On sait que ces ondes éléctromagnétiques rencontrent la Terre à diverses longueurs d'onde et ces divers rayonnements extraterrestres sont étudiés avec soin par les astrophysiciens (4). Ceux-ci essaient de percer leurs secrets et de comprendre ainsi les divers phénomènes qui se produisent dans l'Univers, grâce notamment à des ballons-sondes, des fusées et des satellites spécialement équipés, car notre atmosphère est opaque à la plus grande partie du spectre électromagnétique.
Les ondes visibles ont des longueurs d'onde s'étalant de 3000 à 8000 angströms (c'est-à-dire allant de 0,3 à 0,8 micromètre) : c'est la fenêtre optique. On démontre en physique que l'énergie transportée par un photon (particule de charge nulle associée à une onde éléctromagnétique) est inversement proportionnelle à sa longueur d'onde. Cela signifie que les rayonnements ultraviolet (UV), X et gamma qui suivent le rayonnement visible dans le spectre électromagnétique ont une longueur d'onde de plus en plus petite et une énergie de plus en plus élevée. Le domaine de l'ultraviolet s'étale de 100 à 3000 angströms, celui des rayons X de 0,2 à 100 angströms (leur énergie va de 0,1 à 50 keV) et celui des rayons gamma concerne les longueurs d'onde inférieure à 0,2 angström (leur énergie est supérieure à 50 keV). Ces trois catégories de rayonnements sont principalement d'origine solaire, mais proviennent aussi pour une petite part d'objets galactiques.
Il faut insister sur cette chance extraordinaire qu'ont les astronomes contemporains de posséder une matière première comme la lumière, qui est diffusée par les astres de l'Univers sous des formes diverses, et de savoir en déchiffrer le contenu (le message) grâce à la spectroscopie. Longtemps, leurs prédécesseurs en furent réduits à l'étude de la seule fenêtre optique. La technique, adjointe numéro 1 de la science, a permis progressivement d'ouvrir d'autres fenêtres,
véritables ouvertures sur un monde qui ne demande qu'à se laisser déchiffrer :
le rayonnement infrarouge pour tout ce qui est froid ;
le rayonnement ultraviolet pour tout ce qui est chaud ;
le rayonnement radio pour tout ce qui est bruyant ;
les rayonnements X et gamma pour tout ce qui est violent.
Toute une gamme hétéroclite d'objets et de particules totalement insoupçonnés auparavant a pu être mise en évidence. Une chose est sûre, l'Univers est extrêmement violent, même si l'homme, à son échelle et avec sa "vue basse et sélective", ne s'en rend pas compte. Comme nous l'avons montré au chapitre 5, nous vivons bien dans un Univers cataclysmique, à une échelle qui nous dépasse largement.
L’ASTRONOMIE DE LA VIOLENCE
On appelle astronomie de la violence celle concernant les rayonnements X et gamma (5/6). C'est tout à fait justifié. Le développement de la recherche spatiale, à partir des années 1960, a permis d'observer notre Univers dans des domaines du spectre électromagnétique jusque-là inexplorés, pour la bonne raison que notre atmosphère terrestre est un écran fort efficace pour toute une série de rayonnements.
On sait que c'est grâce à cette atmosphère "imperméable" (en période ordinaire) que la vie terrestre est possible (sous sa forme actuelle), car les photons les plus énergétiques (ultraviolets, rayons X et gamma) sont piégés et n'atteignent pas le sol. Cette astrophysique des hautes énergies a donc connu un développement prodigieux en moins d'un demi-siècle et a totalement renouvelé notre conception de l'Univers.
Deux satellites spécialisés, l’allemand ROSAT (RÖntgenSATellit) (7), lancé en 1990, et l’américain GRO (Gamma Ray Observatory) (8), baptisé par la suite Compton, lancé en 1991, ont permis à l'astronomie des rayons X de faire (déjà) sa première révolution et ont contribué à une multitude de découvertes.
L'astronomie gamma, qui est la plus énergétique (après celle concernant les rayons cosmiques), concerne des longueurs d'onde inférieures à 0,01 angström (rappelons que la fenêtre optique s'étale entre 3000 et 8000 angströms). Les astrophysiciens des hautes énergies caractérisent plutôt les photons gamma par leur énergie, exprimée en kiloélectrons-volts (1 keV = 103 eV) ou même en mégaélectrons-volts (1 MeV = 106 eV). Ainsi on observe des photons galactiques avec une énergie supérieure à 50 MeV.
Nous l'avons dit, l'astronomie X et gamma, c'est l'astronomie de la violence. C'est la raison pour laquelle ses sources sont généralement associées aux phases ultimes, cataclysmiques, de l'évolution des étoiles massives, comme les supernovae, les étoiles à neutrons et même les trous noirs.
On sait, en particulier, que l'explosion des supernovae contribue à la formation d'éléments plus lourds que le fer (que la nucléosynthèse ordinaire n'est pas en mesure de produire) qui s'accompagne de l'émission de raies gamma caractéristiques des divers éléments nouvellement créés. Ces supernovae sont également associées à des émissions violentes de rayons X et radio, comme c'est le cas pour notre nébuleuse du Crabe, résidu de la supernova de 1054 observée par les Chinois dans la constellation du Taureau. On parle aujourd’hui d’hypernovae.
Le rayonnement gamma se caractérise par des sursauts de très courte durée (souvent inférieurs à une seconde), des bouffées d'énergie émises de toutes les directions de l'Univers que l'on qualifie souvent de flashs, tellement leur durée est infime à l'échelle du temps astronomique. Ce n'est que dans les années 1990 que l'on a pu réellement mettre en évidence une "contrepartie" à ces sursauts dans les trois autres domaines du rayonnement : les domaines visible, infrarouge et X. L'apport d'autres satellites modernes, comme l'américain Hubble (pour le visible) et l'italo-néerlandais BeppoSAX (pour les domaines X et gamma), a été déterminant et a complété le fantastique travail effectué par ROSAT et GRO.
La première question que se sont posé les astrophysiciens est bien sûr celle-ci : " Où tous ces phénomènes prennent-ils naissance : dans la Galaxie ou dans le domaine extragalactique ? ". Plusieurs milliers de sursauts gamma ont déjà été répertoriés par les différents satellites spécialisés qui se sont succédé.
Il semble aujourd’hui indiscutable qu'ils proviennent de toutes les directions de l'Univers, ce qui privilégie l'origine extragalactique, puisqu'une origine uniquement locale (galactique) devrait déboucher sur une distribution préférentielle le long de la Voie Lactée. Cette hypothèse extragalactique a de plus en plus de partisans puisqu’elle répond mieux aux observations, mais deux autres "écoles" postulent pour une origine principalement galactique.
Certains astrophysiciens dans les années 1980 penchaient plutôt pour un gigantesque halo de matière entourant notre Galaxie à quelque 320 000 années lumière, qui se serait formé à la suite de l'éjection d'étoiles à neutron galactiques. La question associée à cette hypothèse "galactocentrique" était donc celle-ci : " Pourquoi n'observe-t-on pas une concentration de sursauts gamma autour des galaxies voisines, notamment celle d'Andromède qui est très proche à l'échelle de l'Univers ? ".
Une troisième "école" était résolument progalactique et prônait une origine proche pour les sursauts gamma, car ceux-ci existent aussi, cela est indéniable. Pour la première fois le 28 février 1997, un sursaut gamma, baptisé GRB 970228 (GRB pour Gamma Ray Burst et les chiffres pour la date concernée), qui a duré 80 secondes et qui a pu être localisé avec précision, a été également enregistré en X. Dès le 3 mars, l'intensité du sursaut avait diminué d'un facteur 20. En moins d'un mois, la source s'est déplacée sur le ciel de quelques millièmes de seconde d'arc. Ce mouvement infime, mais très important pour la crédibilité des différents modèles en concurrence, est compatible avec une étoile dense et proche, puisque située à environ 320 années lumière. L'origine galactique est donc quasi certaine pour ce sursaut.
Mais cela ne veut pas dire que les autres hypothèses doivent être éliminées pour autant. Rien n'empêche que les trois hypothèses dont nous avons parlé (et même d'autres) soient vraies, puisqu'il n'y a aucune raison de croire que les événements cosmiques de toute nature soient différents dans les différentes régions de l'Univers. Partout, les mêmes causes ont les mêmes effets. Simplement, évidemment, les événements galactiques étant les plus proches, ils ont une meilleure chance d'être détectés et d'être privilégiés dans les modèles des astrophysiciens.
Reste à savoir une chose essentielle : pourquoi une telle violence ? L'imagination des scientifiques, surtout des astrophysiciens, a fait merveille sur ce sujet totalement neuf, et plus d'une centaine d'hypothèses ont été proposées. Différents modèles répondent mieux aux observations, critère indispensable pour un minimum de crédibilité. Parmi ceux-ci, celui de l'étoile à neutron tient la corde, même si d'autres restent tout à fait possibles.
Rappelons qu'une étoile à neutron est une étoile extrêmement dense (densité voisine de 100 millions de tonnes par cm3) et de très petites dimensions (diamètre de 10 à 20 km seulement) qui est constituée essentiellement d'un gaz de neutrons. Leur masse est comprise entre 1,5 et 3 masses solaires, insuffisante pour avoir créé un trou noir (minimum 4 masses solaires et diamètre de 25 km environ). Les étoiles à neutron sont le résidu stellaire des explosions de supernovae et se manifestent sous forme de pulsars. Ces objets cosmiques, découverts en 1967, sont des sources de rayonnement bien connues (surtout dans le domaine radio, mais aussi domaines optique, X et gamma) qui se caractérisent par des émissions très brèves et extrêmement régulières (avec des périodes comprises entre 1,5 milliseconde et plus de 3 secondes), en relation certaine avec leur rotation extraordinairement rapide.
Pour les partisans de l'hypothèse extragalactique, la production des rayonnements serait liée à la coalescence (fusion) d'étoiles à neutron, ou bien encore à la rencontre entre une étoile à neutron et un trou noir. L'énergie dégagée serait liée à des tremblements du pulsar dus principalement à la vitesse de rotation vertigineuse et se traduirait par l'émission des bouffées de rayonnement observées.
Mais, répétons-le, nous n'en sommes qu'au tout début des recherches et bien des surprises attendent les astrophysiciens. Leurs modèles sont toujours bien simplistes comparés à la réalité et à la complexité des phénomènes cosmiques. Pour le moment, d'après tous les spécialistes, les sursauts gamma constituent l'un des mystères les plus épais de l'Univers. Le XXIe siècle permettra dans ce domaine (comme dans beaucoup d'autres) des avancées, sinon décisives tout au moins significatives.
Les brillants résultats obtenus dans cette spécialité de l’astronomie de la violence sont l’occasion de rappeler tout le bénéfice que les astrophysiciens sont en droit d’espérer de l’apport de futures sondes spécialisées. L’argent investi ne l’est pas en vain.
LES RAYONS COSMIQUES
Il existe encore un rayonnement extraterrestre beaucoup plus énergétique que les précédents, connu sous le nom de rayonnement cosmique (9) . Il s'agit d'un flux de particules chargées électriquement (et non plus de photons comme c'est le cas pour les rayons X et gamma), constitué principalement de noyaux d'atomes d'hydrogène appelés protons (90 %) et de particules alpha (noyaux d'hélium), provenant du Soleil et de la Galaxie et qui traversent l'Univers à une vitesse voisine de celle de la lumière.
Dans ce rayonnement figurent encore en quantité très secondaire des noyaux d'atomes plus lourds (jusqu'au groupe du fer, de masse atomique 56), des électrons et des photons gamma. Les physiciens ont observé que l'énergie individuelle de certaines particules du rayonnement cosmique peut dépasser 1014 MeV, ce qui est absolument énorme, puisque c'est une énergie suffisante pour envoyer une masse de 1 kg à plusieurs mètres de hauteur.
Fort heureusement, en période normale, c'est-à-dire quand la Terre possède son champ magnétique et sa magnétosphère, la plupart de ces rayonnements cosmiques (qui sont des particules chargées, rappelons-le car c'est très important) subissent l'influence de ce champ magnétique et sont piégés dans les ceintures de Van Allen. Celles-ci ont été découvertes par le physicien et astronome américain James Van Allen (1914-2006) dès le début de l'ère spatiale. C'est en dépouillant les données transmises par le satellite Explorer, lancé en 1958 par la NASA, que ce chercheur mit en évidence un flux de particules de haute énergie piégées dans la magnétosphère terrestre.
Il nous faut dire quelques mots sur cette magnétosphère terrestre qui est un paravent indispensable en période normale. On la définit comme la zone extérieure à l'atmosphère s'étendant autour de la Terre, dans laquelle le champ magnétique subit l'influence de l'activité solaire. Elle a une forme très particulière puisque le champ magnétique est déformé sous l'effet du vent solaire et que les perturbations subies ne sont pas partout identiques. De ce fait, la partie tournée vers le Soleil, "côté jour", est comprimée et s'étend seulement jusqu'à dix ou quinze rayons solaires (70 000 à 100 000 km), alors que l'autre partie, "côté nuit", s'étend très profondément dans l'espace (plusieurs centaines de rayons terrestres).
Comme nous le verrons dans les chapitres consacrés aux conséquences de l'impactisme, quand cette magnétosphère ne fait plus son office de paravent lors de la disparition du champ magnétique, c'est la catastrophe pour la vie (la vie existante s'entend). Les rayonnements de toute nature, et notamment les rayons cosmiques qui sont les plus énergétiques, franchissent le mur de l'atmosphère et l'irradiation cosmique joue à plein, avec comme conséquence immédiate une augmentation notable de la radioactivité. A forte dose, la majorité des espèces terrestres n'aiment pas cela !
Pour en revenir aux rayons cosmiques en période normale, c'est-à-dire durant au moins 90 % du temps, outre la partie piégée dans les ceintures de Van Allen, une autre partie se heurte à la carapace atmosphérique. La très grande majorité de ces rayons primaires de très haute énergie rescapés se désintègre à l'occasion de collisions (10) avec les atomes de l'atmosphère, pour former des gerbes de particules secondaires moins énergétiques. Celles-ci, à leur tour, en entrant en collision avec d'autres atomes atmosphériques engendrent une troisième génération de particules, et ainsi de suite. Il en résulte que le rayonnement cosmique reçu à la surface terrestre est en grande partie composé de produits de désintégration (11).
En période ordinaire, on a constaté que l'intensité du flux du rayonnement cosmique augmente d'environ 20 % lorsque l'on passe de l'équateur au pôle, cela étant dû à la forme caractéristique de la magnétosphère et de l'épaisseur, variable selon les latitudes, des diverses couches atmosphériques. Quoique très affaiblis en arrivant au sol, les rayons cosmiques maintiennent depuis toujours à la surface de la Terre un taux important de radioactivité, bien supérieur à celui engendré par les activités humaines, même à l'époque actuelle avec la prolifération des centrales nucléaires. Contrairement à la radioactivité à haute dose dont nous avons parlé et qui est néfaste, la relativité normale, ordinaire, est bénéfique à la croissance harmonieuse des êtres vivants.
L’ÉTOILE « SOLEIL »Le Soleil (12/13) est le maître absolu du Système solaire (il représente à lui tout seul 999/1000 de la masse totale), bien qu'il soit intrinsèquement une étoile banale de la Galaxie (type G2 et magnitude absolue + 4,8). En première approximation, c'est une sphère de gaz incandescents, d'un rayon de 696 000 km (soit 109 rayons terrestres) et d'une masse de l'ordre de 2,1027 tonnes (333 000 masses terrestres en gros), au centre de laquelle la température atteint près de 15 millions de degrés. Sa densité moyenne est de 1,4 g/cm3 (soit environ un quart de la densité terrestre). On considère qu'il est constitué en gros de 73 % d'hydrogène, de 25 % d'hélium et de 2 % seulement d'éléments plus lourds (parmi lesquels le carbone, l'azote, l'oxygène et le fer). Sa surface nous est bien connue avec ses diverses manifestations de violence dont certaines ont des répercussions jusque sur la Terre.
C'est dans le noyau solaire (le cœur nucléaire qui pourrait atteindre jusqu'à 20 % du rayon de l'étoile), que l'on soupçonne d'avoir une densité de l'ordre de 140/160 g/cm3 (soit 100 fois la densité moyenne) qu'a lieu l'essentiel de la production d'énergie par la classique transformation d'hydrogène en hélium selon deux processus différents : le cycle proton-proton et le cycle carbone-azote. On sait que cette "combustion nucléaire" libère une fantastique quantité d'énergie, sous une double forme de chaleur et de lumière. Car c'est cela la principale caractéristique du Soleil : c'est une machine à fournir de l'énergie. A chaque seconde, on estime qu'environ 600 millions de tonnes d'hydrogène sont "brûlés", un chiffre tellement énorme qu'il ne parle pas vraiment à l'échelle humaine.
Le cheminement de l'énergie produite dans le Soleil a été étudié très en détail par les astrophysiciens solaires et il est bien connu, du moins dans ses grandes lignes.
L’ANATOMIE DU SOLEILEn partant du centre vers l'extérieur, on se trouve en présence de six zones, d'une importance très différente. Les trois premières occupent chacune environ un tiers du rayon solaire, les trois zones externes que sont la photosphère (la surface du Soleil), la chromosphère et la couronne (l'atmosphère) ne constituant que la partie visible du Soleil.
Nous allons dire quelques mots sur ces six zones, car il est indispensable de savoir le strict minimum sur notre étoile, source numéro un de l'impactisme particulaire.
le noyau. Le centre du Soleil est occupé par un noyau (ou cœur), entre 0 et 0,3 rayon solaire, au sein duquel la température varie de 15 millions de degrés au centre à 7 millions à l'extérieur. La densité est de l'ordre de 150 g/cm³ et baisse jusqu'à 10 g/cm³ à la limite du noyau. Evidemment, dans ces conditions extrêmes, aucune combinaison moléculaire n'est possible et les atomes sont ionisés. Le plasma central est constitué d'ions d'hydrogène et d'hélium en agitation thermique permanente. C'est dans ce cœur de l'étoile qu'a lieu pour l'essentiel la transformation d'hydrogène en hélium et aussi la production des neutrinos. Il faut aussi savoir que ce cœur est déjà appauvri en hydrogène après une vie de 4,6 milliards d'années et que c'est donc entre 0,1 et 0,2 rayon solaire que la production d'énergie est maximale.
la zone radiative. C'est la zone intermédiaire comprise entre 0,3 et 0,7 rayon solaire, de loin la plus massive. La température diminue de l'intérieur vers l'extérieur de 7 à 1 millions de degrés et la densité de 10 à 1. Les photons produits dans le noyau traversent cette large zone en transportant la quasi-totalité de l'énergie solaire vers la surface, à une vitesse très lente puisqu'on estime à quelques millions d'années le temps nécessaire. Dans le vide un tel trajet serait effectué par la lumière en à peine une seconde.
la zone convective. C'est la zone externe comprise entre 0,7 et 0,999 rayon solaire, qui ne représente seulement que 2 % de la masse de l'étoile. La température diminue de 1 million de degrés à 15 000 K et la densité de 1 g à 3 ´ 10-6 g/cm³. Son rôle principal est d'évacuer vers l'extérieur l'énergie générée par les deux zones internes. On pense qu'elle est traversée de "tubes" de champ magnétique responsables de l'activité solaire et de son cycle et qu'elle est le lieu d'un formidable brassage de matière et de rayonnement.
la photosphère. C'est la "surface" du Soleil à laquelle on attribue une profondeur de l'ordre de 400 km seulement. La température augmente de l'extérieur (4000 K) vers l'intérieur (8300 K) avec une moyenne de 6000 K environ. La pression et la masse augmentent également quand on s'enfonce vers l'intérieur. Cette surface se caractérise par sa structure granulée, avec des granules de forme ronde ou polygonale, d'un diamètre pouvant aller de 200 à 1800 km, qui sont des bulles de gaz de 200 à 300° plus chaudes que la surface. C'est dans cette zone qu'apparaissent les taches solaires, baromètre de l'activité solaire.
la chromosphère. Cette couche a environ 8000 km d'épaisseur, avec une température de 5000 K dans la partie basse et de 20 000 K dans la partie haute. C'est déjà l'atmosphère du Soleil, considérée comme l'atmosphère basse, c'est-à-dire une zone très inhomogène en température et en densité, formée d'une grande variété de structures différentes : spicules, protubérances, facules. Elle est le siège des éruptions solaires, phénomène important lié souvent à l'apparition des taches solaires.
la couronne solaire. C'est la partie extérieure de l'atmosphère solaire, zone de transition entre le Soleil lui-même et l'espace interplanétaire, dont l'aspect varie en fonction de l'activité solaire. En fait, on distingue plusieurs composantes coronales (K, F, E et T). La caractéristique essentielle de la couronne est son extraordinaire température qui peut atteindre plusieurs millions de degrés, c'est-à-dire près de 1000 fois plus que la température de la chromosphère.
On voit à travers l'étude très sommaire des six zones principales du Soleil comment l'énergie, formée dans le cœur, traverse ensuite les couches radiative et convective, atteint la photosphère et quitte l'étoile. Le Soleil est bien une formidable machine à produire de l'énergie, et à produire aussi les conditions nécessaires à la vie. Sans Soleil, évidemment pas de vie.
Le satellite américano-européen SOHO (SOlar and Heliosphere Observatory) (14), lancé en 1995 pour étudier le Soleil sous toutes les coutures, a permis plusieurs avancées décisives. Il a notamment découvert dans le Soleil, près des deux pôles, d'étranges mouvements gazeux comparables aux courants-jets de l'atmosphère terrestre. Ces courants polaires sont de véritables "fleuves de plasma", comme les ont appelés les spécialistes, qui circulent sous la surface solaire à environ 130 km/heure. D'autre part, des phénomènes analogues aux alizés terrestres ont été aussi repérés près de l'équateur dans deux ceintures larges de 65 000 km, de part et d'autre de cet équateur solaire. Ils se traduisent par des bandes gazeuses en interaction qui se déplacent à des vitesses différentes et qui ont une durée de vie de 11 ans, comparable et en liaison avec celle du cycle solaire. Ce double phénomène très intéressant est totalement indiscernable de la Terre et il a fort surpris les spécialistes du Soleil.
Mais ces nouveautés peuvent-elles vraiment être qualifiées de "surprises" ? Il est bien évident que nous ne sommes pas au bout de nos surprises avec notre étoile. On ne connaît encore que très imparfaitement l'intérieur du Soleil, et les modèles actuels devront être constamment réactualisés. Les sondes spécialisées, notamment, permettront de nombreuses autres avancées significatives.
LE SOLEIL ET LA TERRELe Soleil est notre étoile et il est donc de très loin l'astre principal du Système solaire (15/16), puisque nous avons dit qu'il monopolise à lui seul 999/1000 de la masse totale. Et pourtant, ce Soleil n'est qu'une étoile absolument insignifiante par rapport aux milliards d'autres qui peuplent la Galaxie. On voit bien le rapport de force de tous les composants de l'Univers : l'homme n'est rien par rapport à la Terre, qui n'est rien par rapport au Soleil, qui n'est rien par rapport à la Galaxie, qui n'est rien par rapport à l'Univers dans son ensemble. La Terre n'existe qu'à l'échelle du Système solaire, dont elle est un élément tout à fait mineur, même si nous, ses habitants, lui accordons une importance un peu démesurée.
Bien évidemment, la vie terrestre est totalement tributaire du Soleil, et elle n'existe qu'en fonction de lui et grâce à lui. Nos ancêtres l'avaient bien compris, eux qui en firent leur premier dieu, celui à qui ils devaient tout.
Cette vie ne peut exister que parce que le Soleil est une étoile relativement stable, même si elle a une activité permanente légèrement variable selon les époques. Certains astronomes (17) considèrent que le Soleil est en fait une étoile magnétique variable et quasi périodique possédant une récurrence de 22 années. D'autres ont noté depuis longtemps (18) que si le Soleil était une étoile très variable, comme Mira Ceti (la Merveilleuse de la Baleine) par exemple, dont le débit d'énergie varie d'un facteur 100 en 330 jours, l'équilibre thermique de la Terre en serait très profondément modifié, avec des conséquences inévitables sur le monde vivant. La biosphère serait détruite dans sa quasi-totalité et l'homme bien sûr n'existerait pas, n'aurait jamais pu exister.
Cette importance démesurée que l'homme s'accorde peut être battue en brèche quand le Soleil pique une petite colère, ou plus simplement en période de forte activité solaire. Car, comme toutes les autres étoiles comparables, il génère toute une gamme de rayonnements qui ont une interactivité avec l'atmosphère terrestre, et donc avec nous.
Dans le Parisien Libéré du 18 février 1980 (19), un très intéressant article concernant la période d'activité solaire alors près de son maximum commençait avec un gros titre accrocheur : " Lorsque le Soleil brûle... la Terre s'enflamme ", suivi du chapeau de présentation suivant :
"Lorsque le soleil brûle, la terre s'enflamme. Pas au sens propre bien sûr, mais il est aujourd'hui démontré que les périodes d'intense activité solaire comme celle que nous traversons en ce moment ont des répercussions sur notre planète, aussi bien sur la vie des plantes que sur celle des hommes.
Or, en notre année 1980, alors que des crises graves secouent le monde, les éruptions qui bouleversent la couronne solaire sont les plus importantes que l'on ait jamais connues. Ceci explique-t-il cela ? On peut se le demander et certains savants en sont persuadés, même s'ils n'osent pas le dire tout haut. "
Quels sont les rapports exacts entre l'activité solaire et la vie terrestre ? La liaison est indéniable, mais à quel niveau ?
On connaît surtout bien sûr le problème des cernes des arbres qui ont permis de repérer les années chaudes dans le passé historique et ainsi d'établir un calendrier climatologique d'une fiabilité incontestable, en liaison avec le cycle solaire.
Autre exemple bien connu : la variabilité de l'atmosphère et la quasi-impossibilité de prédire le retour de certains satellites qui ont vu leur durée de vie sérieusement écourtée (notamment Skylab 1 en 1979) parce que la haute atmosphère était nettement plus dense que prévu, anomalie en relation certaine avec l'activité solaire.
Cette corrélation entre le cycle solaire et les perturbations qui affectent notre globe intrigue, mais jusqu'où peut-on aller ? Certains médecins, durant le second semestre de 1979, ont annoncé une recrudescence significative des crises cardiaques et une nervosité très sérieusement accrue chez les jeunes alors que l'activité solaire était proche du maximum. Ils voyaient la raison de ces troubles dans les orages magnétiques supportés par la Terre et beaucoup plus violents qu'en période calme. Humains et animaux seraient plus "électriques" en période de forte activité solaire, avec des conséquences parfois imprévisibles sur leur comportement psychique. Nous reparlerons de cet intéressant sujet dans la partie " Conséquences ", mais nous allons voir maintenant ce qu'il faut savoir des éruptions solaires et du vent solaire
Notes
1. Rappelons que le maxwell (symbole Mx) est l'unité de flux du système électromagnétique CGS et que le hertz (symbole Hz) est l'unité de fréquence (1 Hz est la fréquence d'un phénomène dont la période est de 1 seconde).
2. Naissance de la radioastronomie (ouvrage collectif), Les Cahiers de la Science, HS 8, 1992
3. L'astronomie de l'invisible (ouvrage collectif), Sciences et Avenir, HS 33, 1980.
4. H. Breuer, Atlas de la physique (Livre de Poche, coll. La Pochothèque, 1997). Titre original : Atlas zur physik (1987). Une mine de renseignements pour les non-spécialistes.
5. J.-P. Dufour, Sur la trace des phénomènes les plus violents de l'Univers, Le Monde, p. 24, 25 avril 1997.
6. G. Vedrenne, L'astronomie des sursauts gamma, La Recherche, 122, pp. 536-545, 1981.
7. B. Aschenbach, H.-M. Hahn and J. Trümper, The invisible sky (Verlag, 1998). Ce livre, sous-titré Rosat and the age of X-astronomy, raconte l’histoire du formidable satellite allemand ROSAT, spécialisé dans l’étude des sources célestes de rayonnement X qui a permis la découverte de plus de 120 000 sources nouvelles. C’est l’un des grands satellites de l’astronomie moderne qui a démontré que l’Univers invisible est incroyablement violent.
8. Cet observatoire spatial, d'un poids de 17 tonnes, est équipé de quatre appareils d'observation différents, notamment d'un détecteur de rayons gamma appelé Batse (Burst And Transient Source Experiment) qui s'est avéré exceptionnellement efficace et utile pour le progrès de l'astrophysique.
9. J.-N. Capdevielle, Les rayons cosmiques (PUF, QS 729, 1984).
10. Comme nous le disons souvent, les collisions sont la règle dans l'Univers, aussi bien au niveau macroscopique qu'à celui des particules.
11. J. Linsley, Les rayons cosmiques de très haute énergie, Pour la Science, 11, pp. 61-72, 1978.
12. J.-C. Pecker, Sous l'étoile Soleil (Fayard, 1984).
13. P. Lantos, Le Soleil en face (Masson, 1997). Un excellent livre sur le Soleil et sur les rapports Soleil-Terre qui nous sert de référence principale. On se rend compte à sa lecture de l'extrême importance de la magnétosphère terrestre qui sert littéralement de paravent pour un grand nombre de radiations particulièrement dangereuses.
14. F. Baudin et S. Koutchmy, La mission SoHO. Vers un nouveau Soleil ?, L’Astronomie, 111, pp. 286-311, 1997.
15. Sciences et Avenir (collectif), Soleil. Le destin d'une étoile, HS 107, 1996.
16. A. Acker, Astronomie. Introduction (Masson, 1992).
17. R.-M. Bonnet, Le Soleil, étoile variable, Revue du Palais de la Découverte, 6, 58, pp. 24-43, 1978.
18. A. Boischot, Le Soleil et la Terre (PUF, QS 1233, 1966).
19. F. Lancel, Lorsque le Soleil brûle... la Terre s'enflamme, Le Parisien Libéré, p. 26, 18 février 1980.
