Travaux d'optique - L'observation du soleil
Classe de 4ème 5

1°) LES TACHES SOLAIRES
En 1611, GALILEE et trois autres observateurs redécouvrent les taches solaires grâce à la lunette ( elles ont déjà été remarquées au IV ème siècle AVJC par les Grecs ).

Les premiers observateurs supposent que ce sont des planètes plus proches du Soleil que Mercure.

Galilée pense d'abord qu'il s'agit de nuages se déplaçant dans l'atmosphère du Soleil mais il découvre vite que les taches sont liées à la surface du Soleil.

Aujourd'hui on sait que les taches observées sont d'origine magnétique, la différence de température avec la surface du Soleil les font apparaître plus sombres par contraste.

Ces taches traduisent l'activité de notre étoile. Heureusement cette activité reste " raisonnable ". Elle n'est pas sans conséquences sur notre planète mais n'est pas suffisante pour remettre en cause la vie sur Terre.

En observant depuis des siècles le nombre des taches on a pu mettre en évidence un cycle de 11 ans environ. Le Soleil se trouve actuellement à nouveau dans une phase de maximum d'activité. Les plus grosses taches sont visibles à l'œil nu (à condition de se protéger les yeux bien sur !), les Grecs les avaient repérées à travers la brume au coucher ou au lever du Soleil.

2°) SOHO
SOHO, satellite de l'ESA (agence spatiale européenne), auquel participe la NASA (agence spatiale américaine), transporte à son bord différents instruments qui permettent d'étudier le Soleil. Observer depuis l'espace offre certains avantages comme de ne plus être soumis à la turbulence atmosphérique ainsi qu'à la succession des jours et des nuits. Situé à 1,5 million de kilomètres de la Terre, SOHO observe le Soleil en permanence et nous avons facilement accès à ses images via Internet :
http://sohowww.nascom.nasa.gov/

3°) EXPLOITATION DES IMAGES
Nous avons choisi des images proches de ce que l'on peut voir dans le domaine du visible et qui montrent nettement les taches solaires. Notre professeur de sciences physiques, membre de la Société Astronomique de France (SAF) a sollicité M. Guy Artzner président de la commission du soleil de la SAF et chargé de recherches à l'Institut d'Astrophysique Spatiale de l'Université Paris Sud à Orsay. Ce dernier nous a renseignés sur l'orientation du satellite, équipé de senseurs d'étoiles qui place SOHO de telle manière que le bord inférieur des images soit parallèle à l'équateur solaire. Le nord est en haut, l'est à gauche. Nous avons commencé à travailler sur des images de fin septembre 2000. En effet, à cette époque il y avait en particulier une énorme tache qui était visible à l'œil nu. C'est la plus grosse tache de ce cycle mais elle n'a pas le record puisqu'une tache encore plus grosse avait été observée en 1947 accompagnée de perturbations magnétiques très intenses ce qui semble-t-il n'a pas été le cas pour celle de septembre 2000. Dimensions des taches. On suppose le diamètre du Soleil connu : 1 392 000 km On mesure le diamètre du disque solaire sur l'image : 166 mm La grande tache du 24 09 2000 peut être assimilée à un rectangle de 15 mm de longueur sur 9 mm de largeur Soit environ 10 fois le diamètre de la Terre en longueur et 6 fois en largeur ! La tache située au nord est (sur le cliché du 21/09/00) a un diamètre de 3 mm soit 2 fois la Terre. Rotation du Soleil. Quand on observe les taches, on s'aperçoit qu'elles se déplacent toutes dans le même sens : d'est en ouest. Si on suppose qu'elles ne se déplacent pas par rapport à la surface du Soleil on peut en déduire que le Soleil tourne sur lui-même d'est en ouest. La mesure du déplacement des taches permet de déterminer la rotation du Soleil vu de SOHO. Or le satellite se déplace avec la Terre (nous supposons qu'il est aligné avec la Terre et le Soleil), on obtient donc la période de rotation vue de la Terre (qu'on appelle période de rotation synodique). On pourra en déduire la période de rotation véritable du Soleil par rapport aux étoiles (appelée période de rotation sidérale). Méthode. Nous avons utilisé un papier calque sur lequel nous avons reproduit le diamètre solaire (166 mm), nous avons tracé l'axe est-ouest et repéré une tache notée A1 à date et heure données. Nous avons ensuite superposé notre calque avec une image prise à autre date et heure où l'on retrouve notre tache qui s'est déplacée. Nous notons A2 sa nouvelle position. Nous traçons ensuite la droite A1A2 pratiquement parallèle à la direction est-ouest et qui coupe le bord solaire en M et N (on suppose que le satellite et la Terre se trouvent dans le plan de déplacement des taches). Nous traçons alors le cercle de diamètre MN et de centre O. Les perpendiculaires en A1 et A2 coupent ce cercle en H1 et H2. Nous mesurons alors l'angle H1OH2 noté a. Les dates et heures de prise de vue des deux clichés nous permettent de calculer le temps t mit par la tache pour se déplacer de A1 en A2. Un simple calcul de proportionnalité nous permet alors de calculer la période de rotation synodique de la tache et donc du Soleil.

Exemples de calculs
1) Images du 21/09/00 à 8 : 00 TU et du 23/09/00 à 8 : 00 TU

2) Images du 27/09/00 à 0 : 00 TU et du 29/09/00 à 9 : 11 TU

3) La Terre tourne autour du Soleil dans le même sens que la rotation en 365,25 j balayant un angle de 360°, soit un peu moins d'1° par jour (on suppose que la Terre se déplace toujours à la même vitesse). Le plan de l'orbite terrestre est appelé " écliptique ", qui fait penser à " éclipse ". En effet quand la Lune coupe l'écliptique et qu'elle se trouve alignée avec la Terre et le Soleil il se produit une éclipse. La période de rotation du Soleil vu de la Terre, la période de rotation synodique est donc plus grande que la période de rotation sidérale.

Ces valeurs sont à ajouter aux angles mesurés précédemment :

La période de rotation sidérale notée Tsi s'obtient donc en faisant :

4) Remarque : La latitude des deux taches choisies pour effectuer les calculs est différente, les périodes de rotation sont différentes : le Soleil ne tourne pas d'un seul bloc comme un solide. On parle de rotation différentielle du Soleil.