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Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est une étoile du système solaire, notre système planétaire. Autour de lui gravitent la Terre, sept autres planètes, trois planètes naines, des astéroïdes, des météoroïdes, des comètes et de la poussière interstellaire. Le Soleil représente à lui seul 99,86 % de la masse du système solaire ainsi constitué (Jupiter représente presque tout le reste). L’énergie solaire, transmise par ensoleillement, rend possible la vie sur Terre par apport de chaleur et de lumière, permettant la présence d’eau à l’état liquide et la photosynthèse des végétaux. Le rayonnement du Soleil est aussi responsable des climats et de la plupart des phénomènes météorologiques observés sur notre planète.

La densité thermique à la surface de la Terre est à 99,98 % d’origine solaire. Les 0,02 % restants proviennent de la chaleur issue de la Terre elle-même.

Le Soleil fait partie d’une galaxie constituée de matière interstellaire et d’environ deux cents milliards d’étoiles : la Voie lactée. Il se situe à 15 parsecs du plan équatorial du disque, et est distant de 8 600 parsecs (environ 25 000 années-lumière) du centre galactique.

Le demi-grand axe de l’orbite de la Terre autour du Soleil, 149 597 870 km, est la définition originale de l’unité astronomique (ua). Il faut 8 mn pour que la lumière du soleil parvienne jusqu’à la Terre^[2].

Le symbole astronomique et astrologique du Soleil est un cercle avec un point en son centre : .

Présentation générale

Le Soleil vu de la surface de la Terre au travers d’un objectif.

Le Soleil est une étoile naine qui se compose de 74 % d’hydrogène, de 25 % d’hélium et d’une fraction d’éléments plus lourds. Le Soleil est de type spectral G2–V. « G2 » signifie qu’il est plus chaud (5 770 kelvins en surface environ) et plus brillant que la moyenne, avec une couleur jaune tirant sur le blanc. Son spectre renferme des bandes de métaux ionisés et neutres, ainsi que de faibles bandes d’hydrogène. Le suffixe « V » (ou "classe de luminosité") indique qu’il évolue actuellement, comme la majorité des étoiles, sur la séquence principale du diagramme de Hertzsprung-Russell : il tire son énergie de réactions de fusion nucléaire qui transforment, dans son noyau, l’hydrogène en hélium, et se trouve dans un état d’équilibre hydrostatique, ne subissant ni contraction, ni dilatation continuelles. Il existe dans notre galaxie plus de cent millions d’étoiles de type spectral identique, ce qui fait du Soleil une étoile somme toute assez banale. Bien qu’il soit en fait plus brillant que 85 % des étoiles de la galaxie, qui sont en majorité des naines rouges^[3].

Le Soleil gravite autour du centre de la Voie lactée dont il est distant d’environ 25 à 28 000 années-lumière. Sa période de révolution galactique est d’environ 220 millions d’années, et sa vitesse de 217 km∙s^-1, équivalent à une année-lumière tous les 1400 ans (environ), et une unité astronomique tous les 8 jours^[4].

Dans cette révolution galactique, le Soleil, comme les autres étoiles du disque, a un mouvement oscillant autour du plan galactique : l’orbite galactique solaire présente des ondulations sinusoïdales perpendiculaires à son plan de révolution. Le Soleil traverserait ce plan tous les 30 millions d’années environ, d’un côté puis de l’autre — sens Nord-Sud galactique, puis inversement — et s’en éloignerait au maximum de 230 années-lumière environ, tout en restant dans le disque galactique. La masse du disque galactique attirant les étoiles qui auraient un plan de révolution différent.

Le Soleil tourne également sur lui-même, avec une période de 27 jours terrestres environ. En réalité, n’étant pas un objet solide, il subit une rotation différentielle : il tourne plus rapidement à l’équateur (25 jours) qu’aux pôles (35 jours). Le Soleil est également en rotation autour du barycentre du système solaire, ce dernier se situant à près d’un rayon solaire du centre de l’étoile, en raison principalement de la masse colossale de Jupiter (environ un millième de la masse solaire).

Histoire naturelle du Soleil

Articles détaillés : Évolution des étoiles et Formation et évolution du système solaire.

Le Soleil est une étoile de Population I actuellement âgée de 4,6 milliards d’années environ, soit à peu près la moitié de son chemin sur la séquence principale^[5]. On admet généralement qu’il s’est formé sous l’effet des ondes de choc produites par une supernova.

Dans son état actuel, le cœur du Soleil transforme chaque seconde plus de quatre millions de tonnes de matière (de masse) en énergie qui est transmise aux couches supérieures de l’astre et émise dans l’espace sous forme de rayonnement électromagnétique (lumière, rayonnement solaire) et de flux de particules (vent solaire). Dans les cinq milliards d’années à venir, le Soleil épuisera petit à petit ses réserves d’hydrogène ; sa brillance augmentera d’environ 7 % par milliard d’années. Lorsqu’il sera âgé d’environ 10 milliards d’années, l’équilibre hydrostatique sera rompu. Le noyau commencera à se contracter et à se réchauffer tandis que les couches superficielles, dilatées par le flux thermique et ainsi partiellement libérées de l’effet gravitationnel, seront progressivement repoussées : le Soleil se dilatera et se transformera en géante rouge. Au terme de ce processus, le diamètre du Soleil sera environ cent fois supérieur à l’actuel ; il dépassera l’orbite de Mercure et de Vénus. La Terre, si elle subsiste encore, ne sera plus qu’un désert calciné.

La masse du Soleil n’est pas suffisante pour qu’il explose en supernova. Environ 250 millions d’années plus tard, lorsque le cœur atteindra quelque 100 millions de kelvin, le noyau s’effondrera sur lui-même tandis que les couches superficielles seront éjectées dans l’espace et donneront naissance à une nébuleuse planétaire. Les restes de l’étoile formeront alors une naine blanche qui pourra survivre encore plusieurs milliards d’années au cours desquelles elle se refroidira avant de s’éteindre définitivement. Ce scénario est caractéristique des étoiles de masse faible à moyenne^[6],[7].

Histoire de l’exploration solaire

Développement de l’approche scientifique moderne

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Le philosophe grec Anaxagore fut un des premiers occidentaux à proposer une théorie scientifique sur le Soleil, avançant qu’il s’agissait d’une masse incandescente plus grande que le Péloponnèse et non le charriot d’Hélios. Cette audace lui valut d’être emprisonné et condamné à mort, même s’il fut plus tard libéré grâce à l’intervention de Périclès. Deux siècles plus tard, Ératosthène est sans doute le premier à avoir estimé avec précision la distance Terre-Soleil (environ 149 millions de kilomètres), au troisième siècle avant Jésus-Christ.

Rompant avec le géocentrisme, Copernic proposa la théorie héliocentrique qui plaçait le Soleil au centre de l’univers. Galilée et Kepler approfondirent ses travaux.

Au XVI^e siècle, Copernic émit la théorie que la Terre tournait autour du Soleil, et non l’inverse comme on l’avait toujours cru. Au début du XVII^e siècle Galilée inaugura l’observation télescopique du Soleil, observa les taches solaires, se doutant qu’elles se situaient à la surface de l’astre et que ce n’étaient pas des objets passant entre le Soleil et la Terre^[8]. Près de cent ans plus tard, Newton décomposa la lumière solaire au moyen d’un prisme, révélant le spectre visible^[9], tandis qu’en 1800 William Herschel découvrit les rayons infrarouges^[10]. Le XIX^e siècle vit des avancées considérables, en particulier dans le domaine de l’observation spectroscopique du Soleil sous l’impulsion de Joseph von Fraunhofer, qui observa les raies d’absorption du spectre solaire, auxquelles il donna son nom.

La source de l’énergie solaire fut la principale énigme des premières années de l’ère scientifique moderne. Dans un premier temps plusieurs théories furent proposées, mais aucune ne s’avéra vraiment satisfaisante. Lord Kelvin proposa un modèle suggérant que le Soleil était un corps liquide qui se refroidissait graduellement en rayonnant à partir d’une réserve de chaleur stockée en son centre^[11]. Kelvin et Helmholtz tentèrent d’expliquer la production d’énergie solaire par la théorie connue sous le nom de mécanisme de Kelvin-Helmholtz. Malheureusement, l’âge estimé du Soleil d’après ce mécanisme n’excédait pas 20 millions d’années, ce qui était très inférieur à ce que laissait supposer la géologie. En 1890, Joseph Norman Lockyer, le découvreur de l’hélium, proposa une théorie météoritique sur la formation et l’évolution du Soleil^[12].

Il fallut attendre 1904 et les travaux d’Ernest Rutherford pour qu’enfin une hypothèse plausible soit offerte. Rutherford supposa que l’énergie était produite et entretenue par une source de chaleur interne et que la radioactivité était à la source de cette énergie^[13]. En démontrant la relation entre la masse et l’énergie (E=mc²), Albert Einstein apporta un élément essentiel à la compréhension du générateur d’énergie solaire. En 1920 Sir Arthur Eddington proposa la théorie selon laquelle le centre du Soleil était le siège de pressions et de températures extrêmes, permettant des réactions de fusion nucléaire qui transformaient l’hydrogène en hélium, libérant de l’énergie proportionnellement à une diminution de la masse^[14]. Ce modèle théorique fut complété dans les années 1930 par les travaux des astrophysiciens Subrahmanyan Chandrasekhar et Hans Bethe, qui décrivirent en détail les deux principales réactions nucléaires productrices d’énergie au cœur du Soleil^[15],[16]. Pour finir en 1957, un article intitulé Synthèse des Éléments dans les Étoiles^[17] apporta la démonstration définitive que la plupart des éléments rencontrés dans l’univers se sont formés sous l’effet de réactions nucléaires au cœur d’étoiles telles que le Soleil.

Les missions spatiales solaires

Vue d’artiste du satellite SolarMax. Il observa la couronne solaire et les taches solaires de 1984 à 1989.

Les premières sondes conçues pour observer le Soleil depuis l’espace interplanétaire furent lancées par la NASA entre 1959 et 1968 : ce furent les missions Pioneer 5, 6, 7, 8 et 9. En orbite autour du Soleil à une distance similaire à celle de l’orbite terrestre, elles permirent les premières analyses détaillées du vent solaire et du champ magnétique solaire. Pioneer 9 resta opérationnelle particulièrement longtemps et envoya des informations jusqu’en 1987^[18].

Dans les années 1970, deux missions apportèrent aux scientifiques des informations capitales sur le vent solaire et la couronne solaire. La sonde germano-américaine Helios 1 étudia le vent solaire depuis la périhélie d’une orbite plus petite que celle de Mercure. La station américaine Skylab, lancée en 1973, comportait un module d’observation solaire baptisé Apollo Telescope Mount et commandé par les spationautes embarqués dans la station. Skylab fit les premières observations de la zone de transition entre la chromosphère et la couronne et des émissions ultraviolettes de la couronne solaire. La mission permit également les premières observations d’éjections de masse coronale et de trous coronaux, phénomènes dont on sait aujourd’hui qu’ils sont intimement liés au vent solaire.

En 1980 la NASA lança le satellite Solar Maximum Mission (plus connu sous le nom de SolarMax), conçu pour l’observation des rayons gamma, X et ultraviolets émis par les éruptions solaires dans les périodes de forte activité solaire. Malheureusement quelques mois après son lancement, un dysfonctionnement électronique plaça le satellite en mode standby, et l’appareil resta inactif les trois années suivantes. En 1984 toutefois la mission STS-41-C du programme Space Shuttle Challenger intercepta le satellite et permit une réparation et un relancement. SolarMax put alors réaliser des milliers d’observations de la couronne solaire et des taches solaires jusqu’à sa destruction en juin 1989^[19].

Le satellite japonais Yohkoh (Rayon de Soleil), lancé en 1991, observa les éruptions solaires aux longueurs d’onde des rayons X. Les données rapportées par la mission permirent aux scientifiques d’identifier différents types d’éruptions, et démontra que la couronne au-delà des régions de pics d’activité était bien plus dynamique et active qu’on l’avait supposé auparavant. Yohkoh suivit un cycle solaire entier mais tomba en panne à la suite d’une éclipse annulaire de Soleil le 14 décembre 2001. Il fut détruit en rentrant dans l’atmosphère en 2005^[20].

Le satellite SoHO. Lancée en 1995, la mission d’exploration solaire SoHO est l’une des plus importantes du genre. Elle est toujours à l’œuvre en 2006.

Une des plus importantes missions solaires à ce jour est la Solar and Heliospheric Observatory ou SoHO, lancée conjointement par l’Agence spatiale européenne et la NASA le 2 décembre 1995. Prévue au départ pour deux ans, la mission SoHO est toujours active. Elle s’est avérée si performante qu’une mission de prolongement baptisée Solar Dynamics Observatory est envisagée pour 2008. Localisée au point de Lagrange entre la Terre et le Soleil (auquel la force d’attraction de ces deux corps célestes est égale), SoHO envoie en permanence des images du Soleil à différentes longueurs d’onde. En plus de cette observation directe du Soleil, SoHO a permis la découverte d’un grand nombre de comètes, principalement de très petites comètes effleurant le Soleil et détruites lors de leur passage^[21].

Toutes les observations enregistrées par ces satellites sont prises depuis le plan de l’écliptique. En conséquence, ils n’ont pu observer en détail que les seules régions équatoriales du Soleil. En 1990 cependant la sonde Ulysses a été lancée pour étudier les régions polaires du Soleil. Elle fit d’abord route vers Jupiter et utilisa son assistance gravitationnelle pour se séparer du plan de l’écliptique. Par chance elle fut idéalement placée pour observer, en juillet 1994, la collision entre la comète Shoemaker-Levy 9 et Jupiter. Une fois sur l’orbite prévue, Ulysses étudia le vent solaire et la force du champ magnétique à des latitudes solaires élevées, découvrant que le vent solaire aux pôles était plus lent que prévu (750 km∙s^-1 environ) et que d’importantes ondes magnétiques en émergeaient, participant à la dispersion des rayons cosmiques^[22].

La mission Genesis fut lancée par la NASA en 2001 dans le but de capturer des parcelles de vent solaire afin d’obtenir