D'ou provient le gaz et la poussiéres de la nébuleuse solaire ?

[potatoes16]

Bonjour ,

D'ou provient le gaz et la poussière de la nébuleuse solaire et pourquoi ce nuage c'est effondré sur lui même créant ainsi notre étoile ?


merci.
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[Gilgamesh]

Je te repost ce qu j'avais rédigé pour wikipedia (ça inclue la formation des planètes).

Note que c'est tout à fait raccord avec la discussion précédente sur l'effondrement gravitationnel


Une galaxie est un corps autogravitant aplati formé de gaz plus ou moins ionisés (plus ou moins chauds autrement dit) qui se stratifient selon l'épaisseur par gravité. Le plan médian, appelé plancher galactique, le plus dense, correspond pourrait-on dire à la troposphère terrestre et c'est en son sein que se déroule la formation d'étoiles, assimilables à des précipités de gaz, suivit d'une restitution partielle sous le mode nébuleuse planétaire ou supernova, selon la masse de l'étoile. Le gaz restitué est enrichi en éléments lourds (C, N, O, Si, Al, Mg, Fe, etc.) qui se condensent en poussières, dont le rôle ultérieur est essentiel pour le phénomène qui nous occupe.

Les étoiles naissent en groupe au sein de vastes complexes moléculaires qui parsèment le plancher galactique. Ces complexes (ou nuages) moléculaires sont ainsi nommés en référence au fait que l'hydrogène s'y présente sous forme de molécule de dihydrogène H-H. Ces « régions H2 » (à ne pas confondre avec les région HII formée d'hydrogène ionisé moins dense mais fortement émissif sous l'effet d'un rayonnement proche) sont particulièrement denses (plus de 10 000 atomes/cm3 contre 10 ou moins aux alentours, constituant les régions HII) et froides (typiquement 10 à 100 K contre typiquement 10 000 K alentours). La formation de ces régions nous introduit au phénomène central de la formation stellaire (qui se reproduira un peu différemment pour les planètes gazeuses, au moment d'accréter : l'effondrement gravitationnel).

Il y a effondrement lorsque la force de gravité créée par le nuage excède la pression thermique résultant du couple température-densité. L'effondrement est typiquement un phénomène auto-entretenu : au fur et à mesure que les molécules du nuage se dirigent vers le centre, sa densité augmente et avec elle la gravité qu'il génère.

Mais le processus ne peut pourtant se continuer que s'il y a moyen d'évacuer l'énergie thermique. En se contractant, c’est-à-dire en chutant librement sur lui même, le nuage convertit son énergie gravitationnelle en énergie cinétique et celle-ci engendre une pression thermique, à l'occasion de nombreux chocs. Il faut donc que le nuage rayonne, phénomène facilité par la densité croissante, qui augmente la probabilité des chocs moléculaires, à l'occasion non-élastiques.

Il se forme ainsi au centre un noyau de gaz, appelé pour l'heure proto-étoile sur lequel tombe un flux de gaz à une vitesse qui croit avec la gravité de l'astre, c’est-à-dire avec sa masse. Un corps en chute libre percute la surface de l'astre avec une vitesse égale a la vitesse de libération de cet astre. Elle se mesure vite en dizaine de km/s pour la proto-étoile. Au bilan, l'énergie gravitationnelle du nuage (Eg = GM²/r) est convertie en chaleur à la surface du jeune astre et ceci représente une quantité rayonnée considérable. L'étoile naissante, avant même d'entamer le processus de fusion de l'hydrogène possède une température de surface 10 fois supérieure à celle qu'elle adoptera en séquence principale (soit pour le Soleil de l'ordre de 60 000 K contre 6 000 K par la suite). L'intense rayonnement de la proto étoile, situé dans les UV, permet donc la poursuite du processus, tant que le nuage qui la surplombe reste transparent.

Cette transparence est contrecarée par la présence de poussière en densité croissante avec l'effondrement et qui l'opacifie. Toutefois en même temps que le nuage se contracte, il augmente sa vitesse angulaire de rotation afin de conserver son moment M de rotation.

En tout point, M ~ w.r avec w la vitesse angulaire, en rad.s-1 et r la distance au centre de gravité. Si le r moyen diminue, w augmente : les pôles se dépeuplent en conséquence en faveur de l'équateur et ce tournoiement accéléré aplatit le nuage.

Les pôles déchargés de matière, l'étoile peut rayonner librement sur une moitié de son angle solide. Par contre, la rotation de ce disque (où va se dérouler la formation planétaire) l'empêche de s'effondrer plus avant ce qui bloque le processus en l'absence de mécanismes à même de dissiper son énergie de rotation.

Ce disque est extraordinairement ténu, par rapport à toute forme d'état de la matière qui se puisse concevoir sur Terre. Il s'agit pourtant d'un oasis dense de gaz et de poussière, à l'échelle interstellaire. Un corps de taille métrique en orbite en son sein met moins de 10 Ma pour tomber sur la proto-étoile, en dissipant son énergie gravitationnelle par frottements.

C'est dans cet intervalle que vont pouvoir se former des planètes.

Phase A : formation des flocules centimétriques [modifier]

(~ 10 000 ans). Au départ, le nuage possède une opacité sur une épaisseur non négligeable (de l'ordre de 10 à 30 UA). La poussière responsable de cette opacité tombe doucement, à une vitesse de 1 à 10 m/s, au sein du gaz ténu, vers le plan de rotation. En 10 000 ans environ la proto-étoile se dote d'un disque fin de poussières (quelques km d'épaisseur) enserré dans une galette de gaz qui garde son épaisseur initiale, ou peu s'en faut. La poussière, durant sa chute au sein d'un gaz turbulent forme au hasard des flocules qui peuvent atteindre des tailles centimétriques (soit un gain de 4 ordres de grandeur). L'agrégation résulte des simples forces de contact entre grains.

Phase B : formation des planétésimaux [modifier]

En attendant que ces grumeaux poussiéreux aient atteint une taille kilométrique ils génèrent une traînée hydronynamique suffisante pour les faire plonger vers la surface de la jeune étoile en moins d'un siècle (pour un corps de 1 mètre situé à 1 UA). Il s'agit donc d'une étape critique. La phase de formation allant du centimètre au kilomètre (soit un gain de 5 ordres de grandeur) est une des plus difficilement modélisable, les rencontres au hasard à grande vitesse (plusieurs kilomètres à dizaines de kilomètres par seconde) étant tout autant susceptibles de pulvériser l'agrégat que de former un corps plus massif capables d'encaisser les chocs ultérieurs.

Le résultat le plus net des travaux traitant du sujet est que rapidement un corps par sa masse fait sa loi sur son sillon planétaire et qu'il parvient à attirer gravitationnellement des poussières dans un périmètre qui excède son diamètre. À l'atteinte de ce stade, de l'ordre du kilomètre, il est à la fois attractif pour ce qui l'entoure et résistant en terme de traînée. Le planétésimal ainsi formé possède un avenir, que ce soit comme petit corps (astéroïde ou comète) ou comme planète.

Un planétésimal individuel a un diamètre de 5 à 10 km et une masse de l'ordre de mille milliards de tonnes.

Le système à ce stade est peuplé de milliards de comètes coexistant avec des corps solides allant du micron au kilomètre.

Phase C : formation des cœurs planétaires [modifier]

(~ 100 000 ans). La formation de planète à partir des planétésimaux a fait l'objet de simulations numériques qui en donnent l'image suivante.

Au départ, des collisions aléatoires au sein d'un ensemble de milliards de planétésimaux engendrent la croissance de certains aux dépens des autres.

Dès qu'un planétésimal a gagné une masse largement supérieure à la masse moyenne des planétésimaux voisins il peut engloutir tout ce qui se trouve dans sa zone d'influence gravitationnelle.

Une fois le vide fait autour de lui, sa croissance s'arrête faute de matériau : on a alors affaire à un cœur planétaire dont on dit qu'il a atteint sa masse d'isolation. À une UA, cette masse d'isolation représente environ 1/10e de masse terrestre et correspond à l'agglomération d'environ un milliard de planétésimaux.

Phase D : formation des noyaux telluriques [modifier]
Les quatre planètes telluriques du système solaire : Mercure, Vénus, Terre et Mars
Les quatre planètes telluriques du système solaire : Mercure, Vénus, Terre et Mars

(~ 10 à 100 Ma). Les simulations numériques montrent que les orbites circulaires des cœurs planétaires sont perturbées par les interactions gravitationnelles mutuelles et ont tendance à devenir elliptiques, ce qui favorise la collision des cœurs et leur croissance par agglomération. Cette phase nettoie également le système en formation des innombrables planétésimaux résiduels qui, s'ils frôlent de trop près les planètes en formation sont détruits par force de marée ou expulsés dans l'espace interstellaire.

Dans un disque circumstellaire d'environ 1/1000e de masse solaire, une planète tellurique (ou rocheuse) peut se former en 10 à 100 Ma et le scénario qui précède rend compte avec succès de leur formation.

Phase E : formation des enveloppes gazeuses [modifier]

(~ 100 000 ans à 1 Ma). Expliquer la formation des planètes gazeuses comme Jupiter ou Saturne dans un disque de masse minimal, tel que précédemment défini est plus problématique. Les planètes géantes sont sans doute constituées d'un cœur solide (métaux + silicates + glaces planétaires) qui doit ensuite capturer par gravité une enveloppe gazeuse, ce qui nécessite l'atteinte d'une masse critique en-deçà de laquelle la pression due à l'énergie libérée par les planétésimaux qui rentrent en collision avec le cœur planétaire est suffisante pour s'opposer à l'effondrement gravitationnel du gaz environnant, et l'enveloppe gazeuse reste peu importante. À l'emplacement des géantes gazeuses de notre système, la masse critique est de l'ordre de 15 masses terrestres ce qui correspond à peu près à la masse de Neptune ou d'Uranus.

Au-delà de la masse critique l'accrétion ne s'arrêtera qu'après épuisement de tout le gaz disponible dans la fraction du disque où s'est formée la planète, ouvrant ainsi un sillon dans le disque protoplanétaire. On obtient ainsi des géantes gazeuses de la masse de Jupiter (trois cents masses terrestres) ou de Saturne (cent masses terrestres).

Encore faut-il pour cela que tout le disque ne soit pas déjà retombé sur l'étoile. Or sa durée de vie n'est que de un à quelques dizaines de Ma.

Les simulations montrent que pour former des planètes de la masse de Saturne et de Jupiter le disque doit posséder une masse de 3 à 5 fois supérieure à la masse minimale suffisante à la formation des telluriques dans le temps imparti par la durée de vie d'un disque.

[potatoes16]

merci bien !

[coatlicue]

Gilgamesh nous explique la formation des étoiles, à partir de la présence d'amas nébuleux et autres super nova. Il nous explique à sa manière que c'est la poule qui a fait l'oeuf. Bien.
Mais d'où viennent ces gaz et amas nébuleux. Du Big Bang certainement. Mais encore .....Ce Big Bang qui s'est produit à partir d'une concentration inimaginable de gaz, d'où venaient ils ?
En quelque sorte qui a fait la poule ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[Andrei2010]

Le gaz et les poussières viennent de la nucléosynthèse primordiale : http://fr.wikipedia.org/wiki/Nucl%C3...se_primordiale

[Gilgamesh]

Gilgamesh nous explique la formation des étoiles, à partir de la présence d'amas nébuleux et autres super nova. Il nous explique à sa manière que c'est la poule qui a fait l'oeuf. Bien.
Mais d'où viennent ces gaz et amas nébuleux. Du Big Bang certainement. Mais encore .....Ce Big Bang qui s'est produit à partir d'une concentration inimaginable de gaz, d'où venaient ils ?
En quelque sorte qui a fait la poule ?

L'oeuf, c'est le vide, mais il y a une longue marche d'approche pour comprendre comment peut en sortir une poule.

Je reposte...

Dans ce genre de débat il y a pour commencer trois notions distinctes qu'il ne faut pas confondre :

1 Le néant qui représente l'absence d'espace, de temps et plus généralement de tout ce qui pourrait représenter quoique ce soit d'intelligible. Le néant est une notion métaphysique, et non physique, c'est à dire qu'il réside dans sa simple définition : ce n'est rien. On ne doit, en droit, le faire correspondre avec rien d'existant, par définition.

2 Le vide, qui n'est pas rien. Le vide se définit comme l'état d'énergie minimale des champs. Il n'est donc pas absolu dans le sens de "pas absolument vide", même fondamentalement. Une particule est ou n'est pas. Alors qu'un champs existe même à l'état d'énergie minimale et élucider ses lois occupe les jours et les nuits des théoriciens. Le vide héberge "en potentiel" absolument tout le bestiaire des particules. Il suffit d'agiter le tapis, de lui injecter de l'énergie, pour faire naître une profusion de particules, comme les fruits tombant d'un pommier que l'on secoue. La notion de vide devient relative : il y a "quelque chose" formant ce vide, muni de lois précises et non triviales. Formé de champs couplés qui se répartissent l'énergie de manière très inégales. Le nombre et les couplages possibles des champs sont absolument inépuisables.


3 L'espace-temps, le contenant géométrique du vide, que l'on pourrait supposer coïncider avec un "vide absolu" (un vide sans les champs qui composent le vide réel). Cet espace-temps est décrit par la Relativité générale et même si on le "vide de son vide" il conserve des propriétés qui n'ont rien de triviales :
- l'espace fait bloc avec le temps, au sens que toute mesure des distances entre deux événements doit faire intervenir la coordonnée temporelle t en plus du vecteur position r pour être invariante d'un référentiel à un autre (invariant de Lorentz : ds² = c²dt² - dr²);
- en présence d'énergie-impulsion il adopte une courbure ;
- envisagé dans son ensemble il ne possède pas de solution statique stable : il ne peut être qu'en expansion ou en contraction ;
- il possède possiblement une topologie complexe (concept d'espace non simplement connexe) ;
- il est possible d'envisager un nombre plus grand que 3+1 dimension (dimensions compactifiées requises par la théorie des cordes...) ;
- il est possible de le discrétiser, c'est à dire de concevoir un genre d'atome d'espace temps (voie suivie par la théorie des boucles)
- il est possible d'utiliser une notion de point qui n'est plus sans dimension mais qui devient un opérateur quantique (géométrie non commutative)

L'espace-temps n'a donc rien d'un objet simple et sa complexité structurale pourrait être mise à l'origine de la fécondité du vide.

Ces deux dernières notions de vide quantique et d'espace-temps représentent quelque chose de physique, et elles font l'objet de spéculations de haut niveau, car elle sont testables.

Note : le nombre zéro en mathématique n'est pas rien non plus. Etant un nombre, il est pourvu de nombreuses propriétés. Ayant des propriétés... ce n'est pas rien.


Vide et matière


Ce qu'on appelle la matière, c'est un vide qui n'est pas à son état d'énergie minimal, c'est à dire un vide excité.


Ce qu'on appelle le vide c'est un ensemble de champs, un pour chaque particule élémentaire, à leur état d'énergie minimal. Même dans cet état minimal, le champ conserve une activité résiduelle qui produit des couples de particules qui se résorbent en un temps très court (d'autant plus court que la particule produite est massive). Le vide est une ruche vibrionnante qui produit de la matière à jet continu. Mais il s'agit d'une matière virtuelle, c'est à dire que ces particules ne peuvent pas interagir avec une particule réelle, un détecteur de particules par exemple ; elles produisent par contre un effet collectif qui joue un rôle important dans la théorie des champs quantiques.


L'énergie par unité de volume ρ autrement dit la densité d'énergie du vide (en Joule/m3, par exemple) résulte d'une sommation sur les champs quantique.


L'énergie E d'un champ en théorie quantique c'est :


E(n) = (n + 1/2)hv


avec
h la cte de Planck
v la fréquence (pour une particule de masse m au repos, on a hv = mc²)
n = 0, 1, 2... le nombre de particules (réelles) du champ.


n>0 représente l'état excité, le champ génère de la matière
n=0 représente l'état d'énergie minimal du champ, cad le vide.


D'où l'énergie de point zéro du champ :


E(n=0) = hv/2


...qui n'est pas nulle.


Pour calculer l'énergie de vide, on intègre sur tous les champs de toutes les particules (fermions, bosons) pour obtenir un total.


Et là, c'est le drame... L'intégrale donne une densité d'énergie de l'ordre de ρ~1e120 fois la densité d'énergie mesurée. Notre vide semble étonnamment peu énergétique. C'est le problème dit de la constante cosmologique. Sans doute le problème ouvert le plus brûlant de la physique actuelle. Mais bon...
Si on passe ça sous le tapis, l'idée est que "naturellement" on a une "énergie plancher" qui se déduit du formalisme fondamental la théorie quantique des champs. Comme il s'agit de l'état fondamental des champ, l'idée d'une "dilution" est sans objet. Cela signifierait que les lois de la physiques changent avec l'expansion.



Vide et expansion


Si je prend un système constitué très simplement d'un volume de vide et que j'augmente ce volume, en lui faisant subir une expansion, que se passe t'il ? J'ai crée un volume plus grand d'espace remplis de vide. Comme ce vide représente une certaine énergie par unité de volume, j'ai augmenté l'énergie de mon système.


Soit U l'énergie interne de mon système.


En thermodynamique de base, j'ai l'équation de conservation de l'énergie qui s'écrit comme ça, pour un système adiabatique (=qui n'échange pas de chaleur avec l'extérieur, ce qui est le cas de l'Univers) et isentropique (= dont le nombre moyen de particules par unité de volume ne change pas, ce qui est le cas du vide) :


dU = -pdV


dU est la variation de mon énergie interne
p est la pression
dV est la variation de volume


Très simplement, si j'ai un piston remplis de gaz sous pression et que je le laisse aller, son volume va augmenter (dV>0), et l'énergie interne va diminuer : une force travaille, et ce travail est fourni à l'extérieur, ce qui fait tourner le moteur de la Volvo, par exemple . Mais ici, il ne semble pas que l'Univers puisse faire tourner une Volvo. Il ne fournit de travail à personne.


Alors voyons. D'après ce qui précède :


dU = ρdV


d'où :


ρ = -p


Autrement dit l'augmentation de l'énergie interne est compensée par une pression négative. C'est un truc plutôt bizarre, mais vrai et qui se constate dans l'effet Casimir.


Bon, ça c'est ce que nous dit la théorie quantique des champs, au sujet du vide.


Que nous dit la Relativité générale, au sujet de l'espace ? Que la gravité d'un fluide quelconque de densité d'énergie ρ et de pression p est :


g = ρ + 3p


Car en Relativité générale, la pression gravite, c'est à dire qu'elle doit être comptabilisée dans les termes qui produisent une courbure de l'espace. Le chiffre 3 devant le terme p est lié aux 3 dimensions spatiales.


Comme p est négative et égale à -ρ, la quantité ρ+3p est négative, ce qui implique une gravité répulsive, et la croissance de la métrique da/dt est du genre :

da/dt ~ exp(Ht)

avec H = (da/dt)/a


soit quelque chose d'assez musclé en terme d'exponentiel ("plus ça croit, plus ça croit rapidement" ). C'est ce mode d'expansion que l'on appelle l'inflation.


Ainsi "naturellement" un espace vide dont la densité d'énergie n'est pas nulle semble voué à croître indéfiniment, et de manière inflationnaire. Et ça apparaît tellement naturellement dans les équations "semi-classiques" (c'est à dire prenant en compte à la fois la relativité générale et la théorie des champs quantiques) que la question maintenant est de savoir pourquoi l'expansion est si faible : s'il y a eu inflation, celle ci doit bien s'être interrompue, sinon on ne serait pas là pour en parler, ce que les anglo-saxons appellent "the graceful exit". Pour rendre compte de ça on modélise le vide comme un champ (l'inflaton) qui se thermalise cad qu'il perd son énergie potentielle et la convertie en énergie cinétique en se couplant au champs "classiques" : quand ce champ atteint le fond de son potentiel, il commence à osciller autour de son minimum et ces oscillations sont très exactement des particules, en théorie quantique des champs. L’apparition de la matière est ainsi comprise comme la désexcitation de ce champ d’inflaton lors de la période dite de réchauffement (reheating), engendrant un univers dense et chaud (T ~ 10²⁷ K). A l'issue de cette transition de phase, la densité d'énergie du vide devenue très petite (~1 GeV/m³) et l'espace est en expansion "classique", cad non pas inflationnaire mais dégressive, jusqu'à ce que l'univers se dilue suffisamment pour que le vide reprenne le dessus, ce qui est à nouveau le cas.



Vide et multivers


On part de l'idée que le vide va générer de l'espace à un taux qui dépend de son niveau d'énergie. On suppose également que ce niveau d'énergie des vides remplissant ces nouveaux espace puisse varier de place en place. On peut appeler tout volume d'espace remplis d'un vide homogène un univers. Et l'ensemble des univers remplis de vides à différents niveaux d'énergie, le Multivers. On part d'un vide quelconque de densité non strictement nulle. Ce vide va produire des mètres cube de vide du même niveau d'énergie que lui, plus ou moins, et à nouveau les mètres cube les plus énergétiques seront les plus productifs dans le lot, jusqu'à l'atteinte d'un maximum donné par les lois de la Physique. C'est un genre de sélection darwinienne : le vide le plus productif s'impose, non pas qu'il empêche les autres d'exister évidemment, mais que si on prend 1 m3 de vide quelconque dans l'immensité du Multivers, il a toute les chances d'être proche de la densité limite. Donc en inflation violente. Et on peut démontrer que les fluctuations du vide sont d'autant plus fortes que le taux d'expansion est important. Les vides énergétiques sont donc également les plus fluctuant.


La question de l'origine ne s'en trouve pas résolue stricto-sensu, mais se ramène à un requis minimal : on n'a besoin à l'origine que d'un volume planckien de vide quantique pour générer, par sélection successive des vides, un grand Multivers qui produit du vide fluctuant à tour de bras. Et là dedans, finit forcément par advenir une fluctuation qui porte l'état de vide à un niveau quasi nul, générant notre Big Bang chaud.

[coatlicue]

Merci pour vos démonstrations et explications.
J'adore.