(S-7) L'énergie du soleil

    Le soleil est à l'origine de la majeure partie de l'énergie sur notre planète : celle qui est nécessaire aux usines, à la circulation de l'atmosphère et de l'eau, à la chaleur indispensable à la vie. Aucun de ces phénomènes n'existerait sans lui. Si on néglige l'absorption par l'atmosphère, , chaque mètre carré au niveau de l'orbite terrestre, face au soleil, reçoit environ 1380 Joules par seconde (une puissance proche de 2 chevaux). Cette quantité est dénommée constante solaire et les enregistreurs embarqués à bord des satellites de la NASA entre 1979 et 99 n'en ont montré que des variations de l'ordre de 0.2% (voir les graphiques de Nature, vol. 401, p. 841, 28 octobre 1999 .

    Mais quelle est la puissance du soleil lui-même ? Combien de temps brillera-t-il, avant d'épuiser son carburant? Depuis quand transmet-il son énergie ?

    Le premier à considérer sérieusement ces questions fut le grand physicien allemand Hermann von Helmholtz, , qui soulignait en 1854 que la seule gravité du soleil pouvait lui assurer une importante quantité d'énergie. Si le soleil de contracte progressivement parce que ses constituants se tassent peu à peu vers le centre, l'énergie libérée est suffisante pour qu'il rayonne longtemps : jusqu'à 20 millions d'années, calculait - il.

    La radioactivité a ensuite été découverte : c'est la transformation des éléments lourds en de plus légers, s'accompagnant de l'émission de particules rapides, très énergétiques. Il s'est avéré que cette énergie issue des éléments radioactifs des roches est à l'origine de la chaleur intrinsèque de la terre. La radioactivité a ainsi permis de réévaluer l'âge de la terre, en estimant la quantité de déchets radioactifs dans les minerais, proportionnelle à la durée du processus. Cela a amené à estimer que la terre est vielle de plusieurs milliards d'années, un âge beaucoup plus ancien que celui donné par Helmholtz, et que probablement cette source d'énergie interne nouvellement découverte correspond aux besoins du soleil.

Physique Nucléaire

    [Excusez cet exposé " brut "des faits, mais le cheminement des découvertes et des idées serait trop long. Quelques repères sur la découverte des atomes et des noyaux sont énumérés ici.]

    Les électrons et les noyaux sont liés par l'attraction électrique (le négatif attire le positif). De plus, certains électrons sont parfois communs à plusieurs atomes voisins ou passent de l'un à l'autre (par des processus de physique quantique) : ces liaisons entre atomes ont donné les nombreux composés chimiques de notre monde.

    Mais il fallait autre chose pour maintenir la cohésion des noyaux, puisque les protons, tous de charges positives, se repoussent Les forces électriques ne sont donc certainement pas " la colle " des noyaux, elles agissent en direction inverse ! Et d'ailleurs pour retenir les neutrons dans les noyaux il faut évidemment une attraction non électrique.

    Tout ce ceci a fait penser à une force d'un genre différent, une force nucléaire, retenant ensemble les noyaux. Sur de courtes distances, cette force doit être plus forte que la répulsion électrique mais plus faible pour des distances plus lointaine, sinon des noyaux éloignés ou différents pourraient avoir tendance à se regrouper en une masse compacte. En d'autres termes, ce doit être une force de courte portée, comparable à celle de deux petits aimants, difficiles à séparer une fois collés, mais dont la force d'attirance est presque nulle s'ils sont un peu éloignés. (s.v.p., ne prenez pas cette analogie trop à la lettre !).

    En fait le noyau est soumis à deux genres de forces, simplement dénommées "force forte" et "force faible," ou plus souvent "interaction forte" et "interaction faible" (parce que leur principal effet est de convertir ou de créer des particules). L' interaction faible concerne également les électrons et d'autres particules, mais son rôle principal est de maintenir l'équilibre dans le noyau entre protons et neutrons, qui sont des particules très semblables, mis à part leur charge électrique (ce sont les variétés des "nucléons"). La structure nucléaire (du moins pour les noyaux légers,) privilégie les noyaux qui possèdent un nombre égal de protons et de neutrons. Des petites inégalités peuvent exister ( "isotopes"), mais si la différence devient trop grande, l'interaction faible peut convertir une variété de nucléons en l'autre, en émettant un électron (ou un positron, sa contrepartie positives). Il s'agit de la bêta radioactivité qui ne sera pas d'avantage présentée.

    La force nucléaire forte ( la seule force nucléaire que nous allons maintenant considérer ) peut lier protons et neutrons dans de plus gros noyaux. Tous ces noyaux, positivement chargés, se repoussent, et donc ne sont pas susceptibles de se combiner ensemble, excepté pour des températures et des pressions extrêmes, comme au cоur du soleil. Leur répulsion électrique ne leur permet pas de s'assembler sauf si la force nucléaire l'emporte.

L'énergie de liaison des noyaux

    En montant vers les éléments plus lourds que l'oxygène, l'énergie acquise par combinaisons des éléments plus légers diminue, jusqu'au fer. Finalement on gagne de l'énergie en cassant en 2 fragments les noyaux plus lourds que le fer. C'est naturellement de cette façon que l'énergie est extraite par fission des noyaux d'uranium dans les réacteurs nucléaires.

    L'explication de cette inversion après le fer tient dans l'augmentation de la charge positive des noyaux. La force électrique est plus faible que la force nucléaire, mais sa portée est plus étendue : pour un noyau de fer, chaque proton repousse 25 autres noyaux, alors que (on peut discuter) la force nucléaire n'intéresse que les protons du voisinage, très proches l'un de l'autre.

Avec l'augmentation de taille des noyaux, cet effet disruptif devient bien plus significatif. Avant d'arriver à l'uranium (92 protons), les noyaux ne peuvent plus s'adapter à leur importante charge positive, et émettent leurs protons excédentaires par le processus de radioactivité alpha : émission de noyaux d'hélium, contenants chacun deux protons et deux neutrons. (les noyaux d'hélium sont une combinaison particulièrement stable.) Des noyaux encore plus lourds ne sont pas trouvés naturellement sur la terre. .

    [Pourquoi les noyaux d'hélium sont-ils particulièrement stables ? ? Il y a quelques temps, j'ai reçu un E-mail d'un professeur suggérant d'utiliser des " M&Ms" pour présenter la fusion à ses étudiants. C'est réalisable (bien que les balles de tennis soient plus visibles de la dernière rangée de la salle !) en montrant que 4 boules (ou des bonbons !) peuvent être assemblés en pyramide, chacune touchant les 3autres. Considérant que les forces nucléaires ont une courte portée, ce " paquet compact " rend possible la meilleure des liaisons. C'est pourquoi la combinaison des 4 nucléons de l'hélium est si stable, au sommet de la courbe de l'énergie de liaison, comme montré ci-dessus. On ne peut empiler un plus grand nombre de boules se touchant les unes les autres ! ]

L'origine de l'énergie du Soleil

    L'hydrogène constitue toujours actuellement la majeure partie du soleil, qu'il approvisionne en carburant depuis 5 milliards d'années. Cela devrait continuer encore environ aussi longtemps..

L'évolution des étoiles

    La terre conserve ses dimensions parce que sa pesanteur ne peut écraser les roches qui la constituent. C'est pareil pour une étoile insuffisamment massive pour démarrer la combustion nucléaire. Dans une petite étoile, de par exemple la moitié de la masse du soleil, tous les atomes peuvent finir par s'agglutiner, donnant "une naine blanche" pas plus grande que la terre. Une certaine émission d'énergie persiste (d'où le "blanc") mais en pratique l'étoile finit sa vie en une cendre noire.

    Ce sera peut être aussi le destin de notre soleil. En phase finale d'étranges changements se produisent : l'étoile devient "une géante rouge," diffuse et gigantesque dont ultérieurement une grande partie est soufflée dans l'espace et forme un nébuleuse "planétaire", sans qu'il ny ai eu aucune explosion. Voir "la complexité de la mort stellaire" de Yervant Terzian, "Science" vol. 256 p. 425-6, 15 octobre 1999.

Supernovas

    Les étoiles mesurant plusieurs fois la taille de notre soleil ont une pesanteur suffisante pour comprimer non seulement les atomes mais même les noyaux, et elles se concentrent en une sphère d'environ 15 kilomètres de diamètre. Avec cet effondrement elles deviennent des "étoiles à neutrons" (puisqu'il ne reste que des neutrons, tous les protons étant commués en cette forme), les noyaux géants sont aussi denses que ceux des atomes. Une énorme quantité d'énergie est libérée au cours de l'effondrement final qui est très rapide. Elle épluche et éjecte les couches supérieures comprimées de l'étoile en cours de contraction, et produit également des éléments plus lourds que le fer.

    [On peut se demander pourquoi cet effondrement est si rapide puisque Helmholtz et Kelvin, cités au début de cette section, ont prouvé que l'énergie gravitationnelle du soleil suffisait à maintenir sa combustion pendant des dizaines de millions d'années. La réponse a été donnée en 1941 par George Gamov et le physicien brésilien Mario Schenberg: Une quantité énorme d'énergie est effectivement produite, mais à ces températures extrêmes les processus nucléaires produisent des neutrinos : ceux ci évacuent l'énergie très, très rapidement. Le neutrino est une particule sans charge , pratiquement sans masse et aux interactions quasi nulles, capables de traverser sans difficulté des couches très épaisses de matériaux et même la solide sphère terrestre, et celle du soleil. Les neutrinos s'échappant par les couches externes de la supernova emportent son énergie, d'une façon humoristiquement baptisée par Gamov le processus Urca," par référence à la disparition rapide de l'argent des joueurs à la roulette du casino de Urca à Rio de Janeiro. Ce processus a été nettement confirmé par la supernova de 1987 (image ci-dessus, quelques années plus tard ; une image plus grande, avec d'autres liens ici) dont l'observation a coïncidé avec l'enregistrement de 11 neutrinos, détecté par le sensible observatoire souterrain de Kamiokande au Japon, et 8 indépendamment enregistrés sur un détecteur de l'Ohio ]

    Quant au "reste de supernova" résultant de l'effondrement, son avenir dépend de sa masse. Si l'étoile n'était pas trop massive, ce reste deviendra une étoile neutron(déjà décrite) et si en plus l'étoile tournait à l'origine autour d'un axe, sa rotation s'accélère énormément : le reste de la supernova de 1054 (voir à gauche son nuage éjecté, la "nébuleuse du crabe,") tourne à environ 30 tours par seconde ! Les champs magnétiques de l'étoile d'origine sont tous également énormément amplifiés, et les phénomènes associés peuvent lui faire émettre des ondes radio en faisceau, les Pulsars, sources pulsatives de radio qui ont des périodes remarquablement stables. Par ailleurs, la nébuleuse du crabe augmente toujours de taille : voir ici ici la comparaison de deux images, prise à 30 ans d'intervalle.

Supplément , 20 Octobre 1999 : Le nouveau télescope orbital à rayon X Chandra a photographié en haute résolution sous rayons X la région centrale de la nébuleuse du crabe pour vérifier ce que soupçonnaient les astrophysiciens, que l'étoile résiduelle était entourée de débris en orbite, avec des particules de grande énergie parcourant son axe magnétique, là où les lignes de champ magnétique ne les bloquent pas. L'image de droite montre que c'est en effet assez vraisemblable. Pour un reste de supernova dans le Centaure, observé aussi par Chandra, voir , ici.

    La théorie indique qu'une étoile beaucoup plus massive que le soleil devient un trou noir . quand elle s'effondre aussi. On peut les prévoir et les calculer, mais pas les observer, parce que la pesanteur de l'étoile effondrée est si intense qu'aucune lumière et aucune information ne peuvent s'échapper vers l'extérieur. On s'attend donc à ce que de tels objets soient complètement noirs ; On les appelle "trous noirs" parce que la théorie générale de la relativité indique que la matière de genre d'étoile continue à se contracter indéfiniment jusqu'à un point sans dimensions. Ainsi, en théorie, ces étoiles sont comparables au puits sans fond du proverbe, bien qu'aucune observation ne pourra jamais le confirmer.

    Bien que les astronomes soient incapables de voir de tels objets, ils sont persuadés de leurs existence, au moins dans plusieurs localisations. Depuis maintenant assez longtemps on pensait qu'un trou noir très massif existait au centre de notre galaxie, et si oui, probablement aussi aux centres des autres galaxies, favorisant leur cohésion. Nous en avons maintenant une belle preuve absolue, L'histoire de cette découverte est donnée dans la section suivante,"le trou noir du centre de notre galaxie".

Une autre version de la rue StVincent de Millay

Mon cornet de crème glacée coule par les deux bouts
Je le mange le plus vite possible
Mais ah, mes ennemis, et oh, mes amis
Qu'il a bon goût !