Expérience scientifique de 315 ans

Comment le comptage des taches solaires unit le passé et l'avenir de la science

L'astronome le plus arrogant de la Suisse au milieu du XXe siècle était Max Waldmeier , spécialiste de la physique solaire. Après sa retraite en 1980, ses collègues étaient tellement soulagés qu'ils ont failli lui envoyer l'initiative qu'il dirigeait en tant que directeur de l'Observatoire de Zurich. Waldmeier était responsable de la pratique, enracinée à l'époque de Galilée, et restant l'une des plus longues pratiques scientifiques de l'histoire: compter les taches sur le Soleil.

L'Observatoire de Zurich était la capitale mondiale du calcul des taches solaires: zones froides et sombres à la surface du Soleil, dans lesquelles la circulation de la chaleur interne est supprimée par les champs magnétiques. Depuis le 19e siècle, les astronomes associent les taches solaires aux éruptions solaires qui peuvent perturber le cours de la vie sur Terre. Aujourd'hui, les scientifiques savent que les taches marquent des zones qui créent des champs électromagnétiques colossaux qui peuvent interférer avec le travail de tout, du système de positionnement mondial et des réseaux électriques à la composition chimique de l'atmosphère.

Ce qui repoussait les adeptes potentiels de Waldmeier était son hostilité à des méthodes différentes des siennes. À l'ère spatiale, il a insisté sur une méthode manuelle de comptage des taches à l'aide du réfracteur Fraunhofer , du nom de l'inventeur du XVIIIe siècle, et établi par le premier directeur de l'Observatoire de Zurich, Rudolf Wolf en 1849. Après le départ de Waldmeier, son assistant, profitant de l'incertitude en matière de patrimoine, a emporté et installé un télescope Fraunhofer dans son jardin. L'observation et le suivi automatiques du Soleil par les satellites étaient une amélioration évidente, ainsi que moins subjective que le regard rétréci d'une personne.

Mais, malgré toute l'hostilité envers Valdmeier, sa méthode a été préservée. Les taches apparaissent cycliquement. Leur nombre augmente constamment depuis environ 11 ans, suivi par environ 11 ans de déclin. Valdmeier s'est rendu compte que l'interprétation ne pouvait pas être personnalisée en raison de la lenteur inhérente au cycle. «Le processus ne peut pas être overclocké», explique l'astronome Frédéric Klett, directeur du Solar Influence Data Analysis Center à l'Observatoire Royal de Belgique. "Pour comprendre le soleil, il est nécessaire d'enregistrer des cycles sur de longues périodes."

Et la meilleure façon de maintenir la continuité des données, explique Klett, est d'utiliser une méthode d'observation qui relie le passé au futur. Contrairement à la plupart des sciences modernes, en suivant les développements technologiques, le cerveau et l'œil humain restent le dispositif le plus stable pour détecter les changements d'étoiles qui nous donne toute vie.

"La technologie et l'équipement modernes sont capables de beaucoup de choses, mais ces technologies n'existaient que pour quelques cycles solaires consécutifs, donc elles ne montrent pas de changements dans les cycles au cours des siècles", explique Klett, le gardien de la procédure mondiale de comptage des taches que Wolf a commencé à Zurich, maintenant connue, comme le numéro de tache solaire international ou le numéro de loup . Sous la supervision de Klett, les défauts sont toujours comptés manuellement. "En les comptant à l'œil nu, nous pouvons relier ce que nous voyons aujourd'hui à ce que nous avons vu dans un passé lointain."

C'est une histoire incroyable, dit Clett. L'une des méthodes scientifiques les plus anciennes est l'observation simple. «Il s'agit d'une évolution longue et systématique de la collecte d'informations qui a permis de comprendre le phénomène des taches solaires, et une cerise sur le gâteau est l'occasion de prédire l'avenir.»


Cela fonctionne - ne le touchez pas: le réfracteur Fraunhofer, du nom de son inventeur du XVIIIe siècle, a été utilisé par des spécialistes de la physique du Soleil pour calculer les taches pendant la majeure partie du XXe siècle.

Les observations ponctuelles ont commencé plus tôt que l'astronomie moderne, au moins pendant trois millénaires. Étant donné que le Soleil était l'objet central de plusieurs religions anciennes, tous les points étaient considérés comme un phénomène important. Pour les anciens Africains des rives du Zambèze, les taches solaires étaient la saleté avec laquelle la lune jalouse giflait la face du soleil. Les anciens Chinois considéraient les taches comme les éléments constitutifs d'un palais volant, ou même des coups de pinceau qui déterminaient le caractère du roi. Virgile a adopté une approche plus pratique, avertissant ses Géorgiens :

Si les taches commencent à interférer avec le feu doré,
Tout - vous verrez - alors il bouillira simultanément avec le vent
Et les nuages

Galileo a étudié les taches plus scientifiquement et les a considérées comme des marques utiles pour l'étalonnage dans ses études du disque solaire. À partir d'observations minutieuses dans le télescope des changements quotidiens de leur apparence, il a correctement décidé que le Soleil est sphérique et tourne autour de son axe, transférant des défauts changeants. Mais de son point de vue, les spots étaient aléatoires. Cela laissait beaucoup de place à l'imagination. Le philosophe René Descartes croyait que les taches étaient des océans d'écume préhistorique. L'astronome William Herschel pensait qu'il s'agissait de passages dans le monde du tournesol sombre, où les gens vivent sous la coque brillante de l'étoile.

Cependant, il y avait un astronome amateur qui avait simplement assez d'observations du ciel et des enregistrements de tout ce qu'il voyait. Heinrich Schwabe , travaillant comme pharmacien, a commencé à observer le Soleil en 1826 et y a été constamment engagé pendant plus de 300 jours par an pendant quarante ans. Au départ, il a cherché des planètes non découvertes à l'intérieur de l'orbite de Mercure. Ne trouvant rien de précis, il commença progressivement à observer la surface tachetée du Soleil.

En 1844, après avoir compté des dizaines de milliers de taches, Schwabe était convaincu que le repérage avait un cycle: le nombre de taches augmentait et diminuait tous les 10 ans. Il n'avait aucune explication à cela, mais il a décidé que d'autres pourraient apprendre quelque chose d'utile à partir de ses observations, alors il a publié une note d'une page dans la revue Astronomische Nachrichten. Son travail a été lu par Rudolf Wolf, 30 ans, directeur de l'Observatoire de Berne. Lorsque Wolf est devenu directeur de l'Observatoire de Zurich en 1864, il a décidé de choisir le cycle des taches solaires comme sujet de recherche.

Wolf n'était pas satisfait des calculs uniquement au fil du temps. Pour établir l'existence du cycle et le mesurer correctement, il a prudemment décidé de collecter des données passées - à commencer par Schwabe - et de les intégrer dans ses propres observations quotidiennes.

Le problème était que les chiffres ne correspondaient pas. Le nombre ne correspondait pas même lors du calcul pour une journée, effectué des milliers de fois de 1849 à 1868, jusqu'au dernier calcul de Schwabe. Le télescope Fraunhofer était nettement plus puissant que l'ancien instrument Schwabe, et on y voyait que de nombreux spots de Schwabe étaient en fait des amas. Pour compenser cela, Wolf a pris deux décisions importantes. La première consiste à reconsidérer vos propres calculs - en fait, l'activité relative des spots était vraiment importante. La deuxième solution a été d'établir la relation entre le nombre de taches comptées par lui et Schwab lorsque leurs observations ont eu lieu le même jour. Il a obtenu le coefficient, appelé k, et c'était un facteur qui pouvait être appliqué aux anciennes observations de Schwabe jusqu'en 1849, en les combinant statistiquement avec de nouvelles données de Wolf.

Le coefficient a rendu possible quelque chose d'encore plus intéressant. Grâce à de nombreuses observations simultanées, Wolf a pu utiliser les anciennes données de Schwabe pour dériver les coefficients k pour d'autres scientifiques et a étendu de manière fiable ses données sur le nombre de spots jusqu'en 1700. Ensuite, Wolf a créé tout un réseau de compteurs ponctuels sur le continent, et leurs comptages quotidiens, allant de zéro à quelques centaines, sont devenus l'un des ensembles de données les plus fiables en astronomie.

Les données ont montré que Schwabe avait raison sur le cycle des taches solaires, mais pas sur sa durée. Au début, Wolf a raconté cette période à 11 ans, et a décidé qu'il avait découvert sa raison: Jupiter n'avait besoin que de 11 ans pour faire le tour du Soleil sur son orbite. Cependant, plus il collectait de cycles, moins cette corrélation était fiable. Certains cycles ont duré 14 ans. D'autres selon 9. La période orbitale de Jupiter n'ayant pas changé, le scientifique a dû admettre sa défaite.

Il a continué de calculer en croyant que quelqu'un avec suffisamment de données serait en mesure de découvrir le mécanisme de l'apparition des taches solaires. Il a cru jusqu'à sa mort en 1893. À ce moment-là, son assistant Alfred Wolfer comptait des taches avec lui depuis 17 ans. Leur coefficient k a assuré une transition en douceur des observations aux autres directeurs de l'Observatoire de Zurich, jusqu'à l'arrogant Valdmeier, qui a développé la classification évolutive des spots et la méthode de prévision des tempêtes géomagnétiques, ce qui a sérieusement fait avancer la science solaire.


L'image étonnante de la tache solaire indique l'endroit où le magnétisme a supprimé le mouvement de la chaleur au soleil, la convection solaire. Les taches solaires marquent les zones à partir desquelles des éclairs colossaux éclatent, affectant le GPS et les réseaux électriques de la Terre.

Alors pourquoi les périodes de taches brunes sont-elles remplacées par des périodes de soleil pur? "En vérité, nous ne savons toujours pas exactement de quelle fréquence dépend", admet Klett. Même après 315 ans de collecte de données, le mécanisme du cycle des taches solaires n'est pas encore entièrement éclairé.

Cependant, des progrès importants ont été accomplis depuis Schwabe, en particulier dans le domaine des effets des éruptions solaires. En 1859, deux astronomes amateurs du réseau d'observation de Wolf ont remarqué deux éclairs lumineux à l'intérieur d'un amas de taches. Les jours suivants, le travail du télégraphe a été interrompu et les aurores boréales ont été observées dans toute l'Europe. Plusieurs de ces épisodes ont convaincu les scientifiques de la connexion de ces phénomènes, dont l'explication est venue en 1908, lorsque l'astronome George Ellery Hale a utilisé un spectroscope pour déterminer la nature magnétique des taches solaires (le magnétisme affecte légèrement le spectre des couleurs). Les défauts sombres du Soleil pouvaient enfin être compris. Ce n'étaient pas de la mousse préhistorique ou des signes d'une population du Soleil, mais des zones dans lesquelles le magnétisme supprimait le mouvement de la chaleur dans le Soleil, dans un processus appelé convection solaire.

Aujourd'hui, grâce à la physique solaire, nous savons que les cycles ponctuels sont contrôlés par le mouvement de rotation du plasma à l'intérieur du soleil en rotation. Comme le plasma est chargé électriquement et que les couches de plasma tournent à différentes vitesses, la sphère du Soleil se comporte comme une dynamo, produisant des champs électromagnétiques des milliers de fois plus forts que le magnétisme polaire de la Terre. La circulation du plasma qui crée la dynamo solaire est calquée sur les supercalculateurs. Pendant des siècles, les données sur les taches solaires qui ont été collectées ont aidé les scientifiques à affiner et valider ces modèles en effectuant des simulations et en observant les modèles les plus proches de la fréquence variable des cycles successifs. Plus les modèles deviennent parfaits, mieux nous comprendrons le cycle des taches solaires.

La nécessité de calculer les taches solaires, explique Klett, n'a augmenté qu'au cours de la transition des télégraphes aux satellites. «Le nombre de spots aide à établir une tendance pour les mois et les années à venir afin de prédire la fréquence et la force des perturbations», dit-il. L'Observatoire royal de Belgique reçoit en permanence les demandes de données des sociétés de télécommunications et d'énergie. Les compagnies aériennes commerciales dépendent également des tendances des taches solaires, car le magnétisme solaire affecte la vitesse des ondes radio dans l'ionosphère et déforme les coordonnées GPS. Si le temps ensoleillé approche de la tempête, les pilotes porteront leur attention sur d'autres outils de navigation.

Entre la vie de la Terre et les taches solaires, des corrélations moins confirmées sont également dérivées. Des chercheurs en médecine tentent de trouver un lien entre le magnétisme solaire et le cancer. Les économistes étudient la relation entre les cycles solaires et l'agriculture. Les climatologues veulent savoir si les petites périodes glaciaires sont causées par des périodes de «grands creux» - lorsqu'il n'y a presque pas de taches sur le Soleil - comme cela s'est produit au XVIIIe siècle. Les peintures de cette période représentent des personnes qui patinent sur la Tamise et à Venise.

Les progrès de la climatologie sont particulièrement intéressants. On sait que le rayonnement solaire modifie la composition chimique des couches supérieures de l'atmosphère et les taches solaires modulent l'intensité de différentes longueurs d'onde - des infrarouges aux rayons X - bombardant notre planète. En reliant le nombre de spots aux changements du spectre solaire, les climatologues pourront bientôt déterminer l'image spectrale du Soleil durant le grand minimum du XVIIIe siècle.

Wolf n'aurait jamais pensé à une telle application des données - ce sera une leçon pour d'autres loups du présent et du futur: la solution à l'un des problèmes les plus importants de la science moderne - le changement climatique mondial - dépendra des données collectées bien avant qu'elles ne soient connues. «Je pense que c'est l'essence même de la recherche scientifique, au cours de laquelle vous observez un nouveau phénomène que vous ne pouvez pas comprendre», explique Klett. - C'est comme ouvrir un nouveau territoire. Vous savez que vous obtiendrez de nouvelles connaissances, même si elles ne proviennent pas des directions que vous attendez. »

Une explication du cycle des taches solaires sera la confirmation finale du gambit centenaire de Wolf. Mais en tant que gardien dans la recherche sur les taches solaires, Klett se réjouit d'une autre percée: il a récemment contacté un homme qui avait hérité des outils de Wolf de l'assistant perfide Waldmeier. Les observations à l'aide de l'ancien télescope Fraunhofer contribuent à nouveau au calcul international des taches solaires.

Delight Klett n'est pas lié au sentiment, mais note seulement le rôle principal de Wolf dans la transformation du calcul des taches en une procédure cohérente. «J'ai pu déterminer le coefficient k de ce télescope», dit-il. - Cela coïncide idéalement avec ce que Wolf a défini au 19ème siècle - et c'est quand vous considérez qu'aujourd'hui ce n'est pas Wolf qui est impliqué dans le calcul. La coïncidence k est un signe que le système cerveau-œil n'a pas changé au cours des deux derniers siècles. »

Et si les deux derniers siècles sont un bon indicateur, alors de simples observations seront utiles pendant très longtemps. Le comptage des taches solaires peut être un modèle pour toute recherche qui nécessite une collecte de données à long terme - telles que des changements insaisissables dans le comportement d'une ancienne étoile des milliers d'années avant de devenir une supernova. Par rapport à une étude de supernova nécessitant des dizaines ou des centaines de générations, le comptage des taches solaires semble très rapide.

Une telle expérience à long terme sera un défi épique. Cela dépendra d'une ruse statistique digne de Wolf et d'un traditionalisme obstiné digne de Waldmayer. Mais pour atteindre le potentiel le plus élevé, vous avez besoin d'un état d'esprit aussi calme que celui de Schwabe, qui n'avait pas à savoir exactement ce qu'ils trouveraient dans ses données - le mérite était également d'observer simplement le phénomène naturel.