Comment ont réussi les physiciens pour trouver la composition de notre Soleil ?

[invite56129be8]

La question est dans le titre, comment les physiciens ont-ils réussi pour trouver la composition de notre Soleil ? Et surtout le pourcentage dans la composition des différents éléments.
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[vanos]

Bonsoir,

Veuillez respecter la charte, merci.

La courtoisie est de rigueur sur ce forum : pour une demande de renseignements bonjour et merci devraient être des automatismes.

[Gilgamesh]

La question est dans le titre, comment les physiciens ont-ils réussi pour trouver la composition de notre Soleil ? Et surtout le pourcentage dans la composition des différents éléments.

Le principe est assez simple : la présence d'élément chimique dans la photosphère (la couche superficielle du Soleil, d'où est issu l'essentiel de son émission lumineuse) se traduit par la présence de raies en absorbtion.

EN PJ (source), le spectre solaire en haut avec sa traduction quantitative en bas. L'intensité de chaque raie renseigne sur la concentration de élément.

En pratique pour passer de la raie à la concentration chimique il faut connaitre l'état d'ionisation de l'élément en fonction de la température et de la densité. Il y a donc un lourd travail de modélisation pour passer de l'observation à l'évaluation quantitative.

a+

[invite56129be8]

Le principe est assez simple : la présence d'élément chimique dans la photosphère (la couche superficielle du Soleil, d'où est issu l'essentiel de son émission lumineuse) se traduit par la présence de raies en absorbtion.

EN PJ (source), le spectre solaire en haut avec sa traduction quantitative en bas. L'intensité de chaque raie renseigne sur la concentration de élément.

En pratique pour passer de la raie à la concentration chimique il faut connaitre l'état d'ionisation de l'élément en fonction de la température et de la densité. Il y a donc un lourd travail de modélisation pour passer de l'observation à l'évaluation quantitative.

a+

Merci Gilgamesh, mais comment fait-on pour déterminer la composition interne du Soleil et pas seulement sa photosphère ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[Gilgamesh]

Merci Gilgamesh, mais comment fait-on pour déterminer la composition interne du Soleil et pas seulement sa photosphère ?

La mesure directe est impossible, mais la modélisation montre un soleil en trois couches :

• Le coeur où se déroulent les réactions productrices de chaleur (chaine proton-proton, qui produit de l'hélium 4),

• Une couche profonde radiative : le transport de la chaleur se fait sans déplacement de matière par diffusion du rayonnement à l'équilibre avec la matière.

• Une couche superficielle convective : le transport de la chaleur se fait via des mouvements de matière qui "touillent" l'enveloppe.

Par conséquent, il n'y a pas d'échange de matière entre l'enveloppe superficielle et le coeur, qui connait un enrichissement en hélium. La couche superficielle convective est donc bien mélangée et elle a conservé sa composition chimique initiale. L'analyse de la photosphère donne donc une information fiable sur la composition chimique globale du Soleil, et par là du système solaire tout entier à sa formation (le Soleil représente 99,8% de la masse totale du système).

a+

Coupe du Soleil, avec le cheminement des photons dans la couche radiative et la couche convective.
source

[invite56129be8]

Merci beaucoup Gilgamesh pour toutes tes explications et les schémas, si je comprends bien, en analysant le spectre d'absorption du Soleil on a donc une approximation de ce que devait contenir la Soleil dans le début de sa vie ou également de ce qu'il contient actuellement ? A quoi est du la présence de Mercure, parce que j'ai cru comprendre que le Soleil ne produisait que de l'Hélium lors de la fusion ? Encore merci pour tes réponses si rapides.

[invite56129be8]

Excusez moi mais j'en profite pour poser une dernière question : En ce qui concerne la longueur d'onde maximale qu'émet le Soleil, comment la détermine-t-on ? Et qu'est-ce qu'est concrètement le rayonnement global ? Si vous aviez d'autres schéma pour illustrer les explications ce serait parfait, merci encore pour vos explications.

[Gilgamesh]

Merci beaucoup Gilgamesh pour toutes tes explications et les schémas, si je comprends bien, en analysant le spectre d'absorption du Soleil on a donc une approximation de ce que devait contenir la Soleil dans le début de sa vie ou également de ce qu'il contient actuellement ?

Seul le coeur, qui représente environ 10% de la masse du Soleil, connait une évolution chimique ; comme on a vu, il est surmonté d'une zone radiative au sein de laquelle la matière reste immobile : il ne se mélange pas avec l'enveloppe. N'étant jamais réalimenté en "matériau frais", le Soleil ne consomme ainsi que 10% de ses réserves d'hydrogène au cours de ce qu'on nomme la séquence principale, avant de se muer en géante rouge. Le reste (l'enveloppe radiative et convective) garde la même composition chimique sur toute la séquence principale. Ce n'est qu'au stade géante rouge que l'enveloppe devient globalement convective, et que les mouvements de matière (dragages convectifs) atteignent le coeur et ramènent à la surface les produits de la nucléosynthèse centrale (hélium, puis carbone, oxygène...).

En bref la composition chimique mesurée sur la photosphère correspond à toute l'étoile durant toute la séquence principale, excepté le coeur.

A quoi est du la présence de Mercure, parce que j'ai cru comprendre que le Soleil ne produisait que de l'Hélium lors de la fusion ? Encore merci pour tes réponses si rapides.

Il n'y a aucune espèce de rapport entre la présence de Mercure, planète tellurique composée de fer et de silicate formée comme les autres planètes au sein d'un disque de poussière et de gaz entourant le jeune soleil, et la production d'hélium au coeur de l'étoile.

Excusez moi mais j'en profite pour poser une dernière question : En ce qui concerne la longueur d'onde maximale qu'émet le Soleil, comment la détermine-t-on ? Et qu'est-ce qu'est concrètement le rayonnement global ? Si vous aviez d'autres schéma pour illustrer les explications ce serait parfait, merci encore pour vos explications.

En première approximation, le Soleil rayonne comme un corps noir, cad que son spectre dépend uniquement de sa température.

En PJ, cela correspond à la courbe à 6000 K, température de la photosphère. A gauche tu as les courtes longueur d'onde (UV), le pic central correspond aux longueurs d'onde optiques et à droite, tu as l'infrarouge, puis les micro ondes, les ondes radio, etc. Comme tu peux le voir, il n'y a pas de coupure nette mais simplement une diminution exponentielle du flux de radiations émises quand on s'écarte du pic central.

La puissance rayonnée globale P (en Watt) dépend de :

• la surface S émissive (pour une sphère S = 4 pi R²)

• la puissance quatrième de la température T (en K)

Soit :



avec sigma la constante de Stefan 5,67.10^-8 W.m^-2K^-4
Pour le Soleil T = 5750 K et R = 696 000 km

P = 3,8.10²⁶ W


Ensuite, tu as une émission radio beaucoup plus complexe et chaotique due aux mouvement du plasma coronal (la couche de gaz chaud de faible densité s'étendant au delà de la photosphère) dans les champs magnétiques du Soleil. Mais elle est bien moins intense que le rayonnement thermique.

a+

[invite56129be8]

Merci pour tes réponses. Pour mercure c'est une erreur de ma part je voulais parler du magnésium présent dans la photosphère.

[Gilgamesh]

Merci pour tes réponses. Pour mercure c'est une erreur de ma part je voulais parler du magnésium présent dans la photosphère.

Ah, ok, je me disais aussi

Tous les éléments plus lourds que l'hélium (à quelques petites exceptions près comme le lithium ou béryllium) sont issus des générations précédentes d'étoiles qui ont enrichi le gaz galactique, à partir duquel s'est formé le Soleil.

Le Soleil vu sa masse ne produira que de l'hélium, du carbone et de l'oxygène et ces éléments resteront séquestrés dans la naine blanche, pour la plus grande part. Mais les étoiles plus massives (> 8 masses solaires) vont plus loin dans la nucléosynthèse et en outre connaissent une fin de vie explosive, ce qui enrichit le milieu interstellaire.

a+

[bb98]

Bonjour

Ce sont même les phases "explosives" ( super nova, hyper nova) qui, dans nos modèles actuels, créeent les éléments les plus lourds.
La nucléo synthèse dans les étoiles "normales" s'arrète au fer.

Ceci dit j'ai pas encore bien compris où sont les étoiles primordiales, celles qui devraient avoir une métallicité parfaitement nulle et une durée de vie aussi courte

Bonnes lectures

[Gilgamesh]

Ceci dit j'ai pas encore bien compris où sont les étoiles primordiales, celles qui devraient avoir une métallicité parfaitement nulle et une durée de vie aussi courte

En PJ la courbe de formation stellaire modélisée pour la PIII. Ça culmine vers z = 20.

La distance angulaire correspondant à z=20 est de l'ordre de D_A = 1,5 Gly (annexe B2 p42 du pdf).

Soit une distance de luminosité D_L :

~ 660 Gly

Pas très étonnant qu'on ait un peu de mal à les détecter même pour des monstres de 100 masses solaires.

a+


source : Population III and Dark Stars at High Redshifts (pdf)

[bb98]

Bonjour

Doc très intéressant et très bien fait !
Merci !