En 1851, à Dessau, Schwabe annonça que les variations du nombre des taches solaires se produisaient périodiquement, déterminant une période de 10 ans. Cette découverte de Schwabe fut pleinement reconnue en 1857, lorsqu’il reçut la médaille d’or de la Société astronomique de Londres. Le président déclara à cette occasion : « Pendant douze ans, il [Schwabe] a satisfait ses propres intérêts, puis pendant six autres années, ceux de l’humanité, et, enfin, pendant trois siècles. »
Le fait que les taches solaires apparaissent et disparaissent de manière assez régulière est en soi très intéressant, mais cela implique aussi quelque chose de plus, car cela indique clairement l’existence de certaines modifications à l’intérieur du Soleil, régulières et périodiques par nature, dépendant de conditions physiques et mécaniques encore non entièrement élucidées.
C’est l’astronome zurichois R. Wolf (Rudolf Wolf, 1816-1893) qui se chargea de systématiser les observations des taches solaires accumulées sur deux siècles et demi. En traitant l’ensemble des données laissées par les observateurs, il parvint à établir une période plus précise de l’activité solaire. Cette période était en moyenne de onze ans. En même temps, Wolf détermina les années de maximum et de minimum du nombre de taches — les maxima et minima de l’activité solaire — pour toute la période d’observation précédente. Les nombres obtenus à partir du traitement des observations étaient appelés relatifs — r — et il les calculait pour chaque jour d’observation selon la formule r = K (10g + f), où g désigne le nombre de groupes et de taches solaires isolées observées à un moment donné, f le nombre total de taches comptabilisées dans ces groupes et isolément, et K un coefficient dépendant de l’observateur et de son instrument.
Cette formule est encore utilisée aujourd’hui, bien qu’elle ne permette pas d’exprimer avec une précision absolue l’état de la surface solaire. Cet état est déterminé par toute une série d’autres formations grandioses, liées d’une manière ou d’une autre aux taches : l’ampleur, le nombre et la nature des éruptions et protubérances solaires, des facules, des flammes, etc. La courbe — ce sont les cycles principaux de l’activité solaire, dont la durée moyenne est de 11 ans, mais avec des écarts individuels de part et d’autre de cette valeur. Ces cycles principaux de l’activité solaire ressortent avec le plus de netteté, et c’est grâce à eux que la courbe du processus de formation des taches prend un caractère ondulatoire avec une alternance progressive des points de maxima et de minima.
En choisissant l’un de ces cycles, du minimum au minimum suivant, on obtient une onde — un cycle complet d’activité solaire — d’une durée supposée de 11 ans. En examinant l’évolution de ce cycle, on remarque que l’ascension vers le maximum ne se fait pas progressivement, mais par bonds. En d’autres termes, la courbe, partant du minimum, ne monte pas vers le maximum et ne redescend pas vers le minimum de manière uniforme, mais présente de nombreuses irrégularités. L’ampleur de ces bonds augmente au fur et à mesure que le processus de formation des taches s’intensifie, et atteint sa valeur maximale au moment du maximum. Ainsi, la courbe ondulatoire du processus de formation des taches est parsemée de nombreuses petites vagues aux crêtes aiguës et aux creux profonds, parfois tout aussi pointus.
L’examen de la courbe de formation des taches montre qu’elle ne ressemble que de loin à une sinusoïde. Dans le détail, cette courbe ressemble à l’évolution quotidienne de la température d’un malade atteint de fièvre typhoïde, similaire aux dents d’une scie semi-circulaire. On y observe des montées et des chutes brutales, des décalages et des irrégularités. Tous ces petits mouvements composent un grand cycle — le cycle de 11 ans de l’activité solaire.
En observant ces bonds-dents, on remarque aisément que, à mesure que le cycle progresse du minimum vers le maximum, leur nombre et leur hauteur augmentent progressivement ; cela signifie que les taches apparaissent à la surface du Soleil de plus en plus fréquemment, en plus grand nombre et avec une durée de vie plus longue. Par conséquent, la quantité d’énergie qu’elles émettent augmente également, par bonds, au fur et à mesure que le cycle évolue du minimum vers le maximum.
Ces bonds dans l’apparition et la disparition des taches semblent être à l’origine de nombreux effets qui se développent sur Terre en fonction de la formation des taches.
Sur la base des variations d’intensité et de quantité des taches solaires, Schwabe, comme nous l’avons vu, estimait que l’intervalle entre les maxima était de 10 ans. Lamont calcula la même valeur et obtint 10,43 ans. Wolf considérait la période d’oscillation du nombre de taches comme égale à 11,111 ans, avec une variabilité moyenne de ±2,03 ans. Ch. Young (Joung, 1834-1908) pensait que le véritable cycle de formation des taches oscillait entre 12 et 14 ans. A. Wolfer estimait que, en moyenne, la période de formation des taches était de 11,124 ± 0,030 ans. S. Newcomb (S. Newcomb, 1835-1909) l’adopta à 11,13 ans. Enfin, Michelson (A. Michelson, 1852-1931) penchait pour une période supérieure à 11,4 ans, tandis que H. Turner (1861-1930) estimait qu’on pouvait désormais parler d’une période de 11,4 ans.
Schuster soumit à une analyse harmonique les données numériques sur les taches couvrant 150 ans. Selon ses recherches, à côté du cycle de 11,125 ans, existe une série de périodes secondaires dont la succession est à l’origine des diverses perturbations observées dans le cycle principal. Ces périodes secondaires ont pour valeurs 4,38, 4,80, 8,36 et 13,50 ans. En étudiant la question du cycle de 11 ans entre 1750 et 1900, Schuster constata que, durant les 75 premières années, ce cycle se divisait en deux : 9,25 ans et 13,75 ans, ce qui, au total sur 75 ans, donne 11,1 ans.
Il est intéressant de noter que Turner analysa les observations magnétiques de Greenwich pour la période 1841-1904 et découvrit, en plus du cycle principal lié aux taches solaires, une période secondaire de 9,26 ans. Cherchant à retrouver cette même période dans l’activité solaire, Turner entreprit de réexaminer toutes les données de Wolf et Wolfer depuis 1610. N’ayant pas trouvé de période de 9,26 ans, il établit cependant la présence d’un autre cycle d’activité solaire, précisément de 13 ans. Ce cycle se distingue par le fait qu’il est assez bien marqué malgré une faible intensité.
Enfin, en 1927, Oppenheim soumit les nombres de Wolf à une nouvelle analyse et constata que la courbe de leur évolution s’exprimait par la fonction suivante :
r = C + C₂ cos [φ₁ + lxm – cos (mφ₁ – εm),
φ = 360° / Π,
V = 360° / 450. Ainsi, la formation des taches est un phénomène très complexe. En moyenne, une seule tache apparaît tous les … p. 7. Latitudes moyennes du Soleil (courbe en pointillés ч) et surfaces moyennes des taches (courbe rouge) de 1854 à 1912. Au début de chaque nouveau cycle solaire après le minimum, les taches apparaissent aux latitudes les plus élevées où elles peuvent exister, c’est-à-dire vers ±30°. Selon Spoerer, la zone de fréquence maximale des taches se déplace ensuite vers l’équateur solaire jusqu’à ±30° de latitude, où les taches finissent par disparaître au minimum. Après l’arrivée du minimum, le phénomène se répète dans le même ordre. La durée de ce cycle est de 11 ans. En réalité, sa durée atteint parfois 17 ans, et parfois seulement 7 ans. Un autre phénomène très important dans le cycle de variation du nombre de taches solaires est que l’ascension vers le maximum, la période de son maintien et son déclin ne présentent pas toujours une régularité stricte, mais varient progressivement en raison de causes encore inconnues. Par conséquent, pour déterminer et surtout prédire un point précis du cycle, il faut être extrêmement prudent. Les tournants dans l’activité solaire, qui marquent les points de plus forte hausse et de plus forte baisse, ne peuvent être déterminés qu’après plusieurs mois, voire un an ou plus, en comparant les données sur l’activité solaire sur une période plus ou moins longue. La prévision dont nous disposons actuellement pour déterminer le cycle de 11 ans ne peut être donnée qu’avec une précision de 1 à 2 ans, mais cela peut déjà être très significatif dans certains cas.
Outre les tentatives pour découvrir de petits cycles d’activité solaire, des recherches ont été menées pour déterminer s’il existe également de grands cycles dans l’activité solaire. Dès 1746, lorsque rien n’était encore connu sur les cycles, Mairan indiqua la possibilité de l’existence de grands cycles dans l’activité solaire. Plus tard, la même idée fut partagée par Loomis. Wolf tenta de trouver un tel cycle en le déterminant à 55,5 ans. Young suggéra qu’il existe une oscillation de 60 ans, qui s’ajoute à l’oscillation principale de 11 ans. A. Hansky le fixa à 72 ans. N. Lockyer découvrit dans l’activité solaire un cycle de 35 ans, tandis que Schuster, à l’aide de la méthode des périodogrammes, calcula des cycles d’un tiers de siècle, égaux à 33,375. Licznar arriva également à la conclusion de l’existence d’un cycle de 33 ans dans l’activité du Soleil. Enfin, Turner conclut à l’existence possible d’un long cycle de 266 ans. Selon cet savant, tous les 266 ans, un grand maximum d’activité solaire se produit. En 1889, Wolf, sur la base des données des chroniques chinoises médiévales sur les aurores boréales, distingua plusieurs dates qui pouvaient correspondre à des grands maxima d’activité solaire.
Ce furent les années : 372, 840, 1078, 1333 et 1372. En se basant sur les années 372 et 1372, où, selon son hypothèse, une activité solaire particulièrement intense s’était produite, Wolf calcula une série de grands cycles, à savoir 88,33 et 66,67 ans. Ensuite, il additionna ces chiffres successivement à partir de l’année 372, obtenant ainsi un tableau des dates des grands maxima d’activité solaire. Cependant, aujourd’hui, les dates proposées par Wolf peuvent être contestées.
Mais qu’est-ce que les taches ? Leur « grand secret », selon les mots de Galilée, a-t-il été percé à jour de nos jours ? Peut-être pas encore, mais ce que nous savons sur les taches et leur nature au cours des dernières années suffit pour nous faire une idée de l’importance des taches solaires pour la vie sur Terre. De nombreux esprits éminents se sont penchés sur la nature des taches solaires. Les premiers observateurs pensaient que les taches étaient des planètes, les satellites les plus proches du Soleil, passant près de sa surface. Cette idée erronée fut réfutée par Galilée, qui, à son tour, pensait que les taches étaient des nuages flottant dans l’atmosphère solaire. Derham croyait qu’elles provenaient d’éruptions volcaniques solaires. J. Lalande les considérait comme les sommets de montagnes solaires émergeant d’un océan de feu au-dessus de la surface d’une île lumineuse située sur le noyau central solide du Soleil. W. Herschel pensait que les taches étaient des ouvertures temporaires dans les nuages, à travers lesquelles nous pourrions voir l’obscurité en dessous.
Le matériel permettant de juger avec un certain degré de certitude des époques d’activité solaire est constitué par les chroniques des aurores boréales. On a établi que, dans certaines latitudes, celles-ci se produisent principalement lorsque le Soleil traverse une époque de maximum. D’autres données proviennent des grandes taches solaires visibles à l’œil nu lors des maxima et notées par les chroniqueurs (principalement les Chinois). Ce matériel est dispersé dans les chroniques et les annales de différents peuples. La systématisation de ces données revient au savant allemand G. Fritz, qui, en 1893, fut le premier à traiter les données des chroniques sur les aurores boréales, les taches solaires visibles à l’œil nu, les grêles et les récoltes. Vingt-cinq ans plus tard, un travail similaire fut réalisé en Russie par D. O. Svjatsky, qui prit également en compte les chroniques russes.
Son fils, J. Herschel, donna cette explication aux taches : ce sont d’énormes tourbillons traversant l’atmosphère. À partir de 1868, deux théories s’affrontèrent : la théorie de l’abbé A. Secchi et celle d’E. Faye. Le premier basa sa théorie sur l’hypothèse des éruptions solaires. Faye considérait que la formation des taches était due aux tempêtes solaires, et leur structure comme tourbillonnaire. Ce point de vue conserve sa validité jusqu’à aujourd’hui. La théorie de Faye suppose que, en raison du mouvement relatif des parties adjacentes de la photosphère, des tourbillons se forment, qui se transforment en cyclones et en tourbillons similaires à ceux qui se produisent lorsqu’un courant rapide rencontre un obstacle sur son chemin. Ces tourbillons ont l’apparence d’entonnoirs dans lesquels les corps et l’air flottants sont aspirés vers le bas. De la même manière, selon Faye, se produisent les cyclones et les tornades terrestres. Ils commencent en haut et descendent de plus en plus bas dans l’atmosphère jusqu’à ce que le sommet du tourbillon atteigne la Terre. Selon Faye, les taches solaires seraient des tourbillons de ce type, mais à une échelle colossale.
L’un des arguments contre la théorie de Faye était le suivant : si les taches sont des tourbillons, elles devraient présenter un mouvement tourbillonnaire. De plus, toutes les taches au nord de l’équateur devraient tourner dans le même sens, c’est-à-dire dans le sens inverse des aiguilles d’une montre, si on les observe depuis la Terre ; les taches de l’hémisphère sud du Soleil devraient tourner dans le sens opposé, comme les cyclones terrestres. En étudiant cette question, les astronomes remarquèrent que seul un faible pourcentage de taches présentait des traces de mouvement tourbillonnaire, et souvent différents éléments d’un même groupe de taches, voire différentes parties d’une même tache, tournaient dans des directions opposées. À l’époque, ces observations ne pouvaient que fragiliser la théorie de Faye, mais elles sont en réalité la meilleure preuve de la justesse de son principe sur la structure tourbillonnaire des taches.
La théorie des taches par l’électricité vint au secours de la théorie des tourbillons. Les défenseurs les plus ardents de la théorie tourbillonnaire des taches furent Faye et Helm. Cependant, pour une reconnaissance définitive, il manquait encore de clarté sur certains détails. Ce n’est qu’après les travaux remarquables de l’astronome américain G. Hale, publiés en 1908, que la plupart des astronomes revinrent à la théorie tourbillonnaire. Enfin, l’année suivante, Hale put, sur la base de nombreuses recherches, conclure que les taches solaires « sont probablement des tourbillons électriques ». Les brillants travaux de Hale ouvrirent la voie à une série d’études remarquables sur la nature des taches, réalisées à l’observatoire solaire du mont Wilson en Californie, ainsi que dans d’autres observatoires étudiant le Soleil. La théorie de Hale trouva de nombreux partisans enthousiastes parmi les astronomes, d’autant plus qu’elle reçut chaque jour de nouvelles confirmations.
Ainsi, les taches solaires doivent être considérées comme des tourbillons, semblables aux trombes marines, avec des élargissements en forme d’entonnoir à leur sommet. Le mouvement de la matière dans ces tourbillons s’effectue de bas en haut, formant un vortex ascendant. La vitesse de déplacement de la matière atteint des valeurs colossales, et les gaz entraînés dans le tourbillon se refroidissent en raison de leur rapide expansion à mesure qu’ils approchent du sommet. Les sommets des tourbillons, où les gaz refroidis s’échappent, se déplacent en spirale avec des rayons rapidement croissants. Ce que nous voyons sous la forme d’une tache n’est que le sommet, l’extrémité du tourbillon, l’écho de processus grandioses se déroulant dans des régions inaccessibles à notre investigation. Sans aucun doute, il existe une cause qui force les gaz à s’élever des entrailles du Soleil. Là, dans les couches inférieures du globe solaire, se cache une force cosmique qui anime tout ce tourbillon complexe et immense, portant modestement le nom de tache solaire.
La cause à l’origine des mouvements tourbillonnaires de la matière photosphérique n’est pas encore établie de manière définitive. Dans cette direction, on ne dispose que d’hypothèses plus ou moins fondées. Peut-être faut-il voir la cause immédiate dans un échauffement intense de la matière en profondeur ? Alors, devenant plus légère, comme l’air dans une cheminée, elle s’élève vers le haut. En chemin, sous l’effet de la montée, les gaz se refroidissent et émergent à la surface plus froids, bien qu’ils aient été initialement très chauds. Il en découle que dans la couche inférieure, où naît le phénomène, doit régner une température extrêmement élevée. En effet, tandis qu’au voisinage de la surface du Soleil la température ne dépasse pas 6 000 °, dans les couches centrales elle atteint environ 12 000 000 °. Selon les calculs de R. Emden, la température centrale du Soleil est de 31 500 000 °. H. N. Russell a montré que la plupart des étoiles possèdent au centre une température très proche de 32 000 000 °.
La cause de cet échauffement dans les couches inférieures du Soleil reste pour l’instant une énigme insoluble. Cette énigme devient encore plus incompréhensible si l’on prend en compte que les taches apparaissent dans certaines parties de la surface solaire et uniquement dans ces régions. Avant cet ouragan, nos tempêtes qui arrachent arbres et maisons ne sont que des souffles de zéphyr.
Dès 1892, Young, en étudiant spectroscopiquement le rayonnement des taches solaires, découvrit un phénomène remarquable : de nombreuses raies spectrales des taches solaires se révélèrent doubles, alors que le spectre du reste du disque solaire restait simple.
