La masse manquante du Soleil

TEMPS DE LECTURE ESTIMÉ : 3mn

Article de William Brown, biophysicien à la RSF, le 04 octobre 2017.

En Bref : L’analyse des transmissions sonores et lumineuses à la surface du Soleil en utilisant un nouveau modèle en 3D (alors qu’habituellement les modèles utilisés sont en 2D) suggère que la composition chimique du Soleil est très différente de ce que nous pensions. Plus précisément, il apparait que la quantité d’éléments lourds du Soleil est beaucoup plus faible que ce qui avait été estimé – les éléments considérés comme lourds sont tous les éléments plus lourds que l’hydrogène et l’hélium, ce que les astronomes appellent « les métaux ». La cause en pourrait être l’utilisation obsolète de modèle en 2D qui basent leurs calculs sur une surface hypothétiquement plane du Soleil, ce qui de toute évidence n’est pas le cas. Cette chute en quantité théorique des éléments les plus lourds de la masse du Soleil représente plusieurs milliards de mégatonnes, et personne ne sait à quoi cette masse manquante correspond. Une possibilité est que le cœur du Soleil est composé d’une forme de matière noire – une forme de matière qui exerce une force gravitationnelle mais qui n’interagit pas de la même manière que la matière ordinaire.

Il est habituellement admis que la surface d'une structure peut être représentée de manière réaliste comme une surface bidimensionnelle, complètement plane et dépourvue de toute profondeur. Or, en réalité, les surfaces bidimensionnelles n'existent pas dans la nature. En effet si l'on zoom suffisamment, même la surface la plus plane en apparence, possède une structure tridimensionnelle. Et lorsque la physique théorique, qui a été formulée en deux dimensions, est réexaminée à la lumière d'un modèle plus réaliste en 3D, cela pose problème.

Une telle situation s'est justement produite lorsque l'astronome Martin Asplund a renoncé au modèle habituel en 2D pour étudier la surface du Soleil, en utilisant un superordinateur afin de modéliser sa surface tridimensionnelle. Asplund espérait par ce biais formuler un modèle plus précis pour analyser les données spectrales et sismologiques du Soleil, afin de mieux comprendre ses entrailles.

Comme on ne peut pas observer directement l’intérieur du Soleil, les émissions sonores et lumineuses émanant de sa surface sont une fenêtre pour nous faire entrevoir ce qui se passe à l’intérieur. Le nouveau modèle d'Asplund a mis en lumière une révélation fascinante, voire controversée. Les données sismologiques et spectrophotométriques ont indiqué que le Soleil est composé de beaucoup moins d'éléments lourds que ce qui avait été calculé précédemment (en utilisant le modèle 2D obsolète).

Parce que la lumière et le son traversent les éléments lourds (la plupart des éléments au-delà de l'hydrogène sont considérés comme des métaux par les astronomes) de manière différente que les éléments légers, comme l'hydrogène et l'hélium, les calculs du modèle Asplund ont suggéré une composition chimique du Soleil très différente de celle habituellement acceptée - essentiellement à cause de la baisse drastique du nombre d’éléments lourds, représentant plusieurs milliards de mégatonnes de matière manquante (l'équivalent d'environ 1500 Terres).

Une solution à cette énigme est de supposer qu'il existe une forme de matière au centre du Soleil - environ 10²⁷ kilogrammes - qui ne se comporte pas comme la matière ordinaire. Une hypothèse est que la matière au cœur du Soleil, dans une région avec des températures et des pressions extrêmes, se comporte différemment de la matière ordinaire et prend des propriétés quantiques différentes, en modifiant son opacité ou sa résonance acoustique.

Jim Bailey, du laboratoire national de Sandia au Nouveau-Mexique, semble venir confirmer cette hypothèse grâce à la machine Z (ou Z Pulsed Power Facility) en exposant de la matière à des températures et à des pressions équivalentes à celles que l'on retrouve dans certaines parties intérieures du Soleil. Bailey a constaté grâce à ses mesures sur l’opacité dans ces conditions extrêmes que la matière absorbait et transmettait la lumière, et potentiellement le son, différemment que la matière se trouvant dans les conditions « normales » d’un laboratoire.

Une autre explication possible est qu'une forme de matière noire se trouve au centre du Soleil, rendant compte de sa masse. Une sorte de matière noire n'interagissant que très faiblement avec les émissions phononiques et photoniques. La nature exacte de cette matière noire reste un mystère, plusieurs propositions ont été faites ; l’existence de nouvelles formes de matière comme les particules massives à faible interaction (les WIMPS pour weakly interacting massive particles), les axions, les trous noirs primordiaux ou la dynamique superfluide de l'espace-temps. Des analyses supplémentaires et une modélisation par superordinateur pourraient commencer à lever le voile sur ce qui se trouve à l'intérieur du Soleil, mais pour l'instant, ce qui est certain, c'est que le modèle conventionnel n'offre pas d'explication à cette gigantesque masse manquante au cœur du Soleil.

Article original : https://www.resonancescience.org/blog/Missing-Matter-In-The-Suns-Interior

Article du NewScientist (en anglais) : Hiding in plain sight: the mystery of the Sun’s missing matter

Article traduit par RSF - France

     

Inscrivez-vous gratuitement au Cours de Science Unifiée en ligne !