Comment connaît-on l'intérieur des étoiles ?

[invite7c64c1b8]

Bonjour,
Ceci est mon premier message sur la liste.

On lit couramment des affirmations telles que "la température du soleil en son centre est de 15 millions de °C". Mais comment le sait-on ? J'aurais voulu confirmation par une personne compétente d'une supposition et réponse à une question sur ce sujet :

1. Ce que je suppose : Une affirmation comme celle sur la température intérieure du soleil est tirée de l'utilisation de modélisations (équations physiques traitées par informatique pour établir l'évolution temporelle des grandeurs caractérisant un système physique) du déroulement de la vie des étoiles en fonction du temps et de leur masse initiale (voire, de leur composition en nucléides initiale). La conformité au réel de telles modélisations est testée par le fait qu'elle prévoient l'existence de catégories d'étoiles (étoiles de la série principale, naines jaunes, géantes rouges, supernovae...) que l'on observe effectivement. Or ces modélisations livrent des évaluations de grandeurs physiques (température, masse volumique, etc.) en tous points de l'intérieur des étoiles modélisées (au centre en particulier), et la validité du modèle étant établie comme on a dit, on considère correctes toutes ces évaluations même en l'absence d'évaluations expérimentales (plus) directes d'une bonne part de celles-ci.

2. Ma question : Hormis la méthode décrite au 1. , les astrophysiciens ont-ils réussi à interpréter leurs mesures sur la lumière et les particules issues d'étoiles (en particulier, du soleil) pour en tirer des évaluations de ce qui se passe au coeur de celle(s)-ci ? (ou bien au contraire, le coeur des étoiles reste t-il "opaque" jusqu'ici ?)

Merci des réponses que vous m'apporterez. Je compte faire usage de cet exemple dans un article pour une petite revue de ... philosophie, sous le titre "qu'est-ce que la vérité ? -- réflexion en marge de la crise écologique" (pour illustrer le caractère indirect de nos connaissances sur le monde), je vous ferai parvenir l'article si vous voulez -- mais pour commencer, je souhaite éviter de dire trop de bêtises, si c'est possible !

Cordialement,

Marc B. (agrégé de sciences physiques, retraité)
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[Deedee81]

Salut,

Tu as tout à fait raison concernant le 1. L'essentiel est indirect. On fait confiancedau fait que nos modèles donnent des résultats en accord avec les observations extérieures.

Un point important dont tu ne parles pas (mais c'est sans doute implicite puisque tu parles d'équations physique) est la connaissance (sur Terre) des processus physiques tel que physique des particules, physique nucléaire, hydrodynamique, thermodynamique, électromagnétisme,....

Enfin, sur les mesures de l'intérieur, le point 2, on a deux informations directes :
- les neutrinos (qui viennent du coeur)
- l'astrosismologie (qui nous donnent les densités etc... tout comme la sismologie sur Terre)
- EDIT : et les mesures du champ magnétique qui vient de la zone convective, tout de même assez épaisse

Un exemple historique : lorsqu'on a pu enfin détecter les neutrinos solaires on trouva qu'il en manquait les 2/3 (par rapport aux modèles). Il y avait deux possibilités :
- nos modèles étaient incorrects
- quelque chose dans la physique des neutrinos nous échappait.

Les physiciens des particules montrèrent que si le neutrino avait une masse (même infime) alors il pouvait osciller (entre les trois états électroniques, muoniques, tauiques).
Et le détecteur ne captant que le premier....
Cela fut confirmé :
- grâce aux neutrinos des réacteurs nucléaires (par mesure près du réacteur et de l'autre coté de la planète)
- grâce aux nouveaux détecteurs détectant aussi les autres types de neutrinos

De quoi donner confiance aux modèles

Tu trouveras beaucoup d'info sur tout ça (oscillations, astrosismologie,...) facilement (wikipedia, etc....).

Bonne fin de semaine (et à lundi ou peut-être dimanche)

[Lansberg]

Bonjour,

on peut ajouter que si on ne peut pas "voir" ce qui se passe dans le cœur d'une étoile, la spectroscopie donne une multitude d'informations sur les réactions nucléaires centrales et qui viennent conforter les modèles de nucléosynthèse. Par exemple, dans les géantes rouges, les phénomènes de convection ramènent vers la surface de la matière dont la composition chimique a été modifiée par les réactions nucléaires. On trouvera notamment l’azote 14, le carbone 13 et l’oxygène 17. Dans une géante rouge asymptotique on peut mettre en évidence le carbone 12 provenant de la fusion de l'hélium4 avec l'hydrogène dans les couches périphériques de l'étoile, l'hélium4 étant épuisé au centre.

[XK150]

Bonjour ,

N'étant pas vraiment une personne compétente ( ) , à astrosismologie conseillée au post 2 , je vous recommande d'ajouter " héliosismologie " ,
et de lire au minimum les articles Wiki et CNRS . Peut être , pour vous , une nouvelle vision du Soleil ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[Gilgamesh]

Bonjour,
Ceci est mon premier message sur la liste.

On lit couramment des affirmations telles que "la température du soleil en son centre est de 15 millions de °C". Mais comment le sait-on ? J'aurais voulu confirmation par une personne compétente d'une supposition et réponse à une question sur ce sujet :

1. Ce que je suppose : Une affirmation comme celle sur la température intérieure du soleil est tirée de l'utilisation de modélisations (équations physiques traitées par informatique pour établir l'évolution temporelle des grandeurs caractérisant un système physique) du déroulement de la vie des étoiles en fonction du temps et de leur masse initiale (voire, de leur composition en nucléides initiale). La conformité au réel de telles modélisations est testée par le fait qu'elle prévoient l'existence de catégories d'étoiles (étoiles de la série principale, naines jaunes, géantes rouges, supernovae...) que l'on observe effectivement. Or ces modélisations livrent des évaluations de grandeurs physiques (température, masse volumique, etc.) en tous points de l'intérieur des étoiles modélisées (au centre en particulier), et la validité du modèle étant établie comme on a dit, on considère correctes toutes ces évaluations même en l'absence d'évaluations expérimentales (plus) directes d'une bonne part de celles-ci.

2. Ma question : Hormis la méthode décrite au 1. , les astrophysiciens ont-ils réussi à interpréter leurs mesures sur la lumière et les particules issues d'étoiles (en particulier, du soleil) pour en tirer des évaluations de ce qui se passe au coeur de celle(s)-ci ? (ou bien au contraire, le coeur des étoiles reste t-il "opaque" jusqu'ici ?)

Merci des réponses que vous m'apporterez. Je compte faire usage de cet exemple dans un article pour une petite revue de ... philosophie, sous le titre "qu'est-ce que la vérité ? -- réflexion en marge de la crise écologique" (pour illustrer le caractère indirect de nos connaissances sur le monde), je vous ferai parvenir l'article si vous voulez -- mais pour commencer, je souhaite éviter de dire trop de bêtises, si c'est possible !

Cordialement,

Marc B. (agrégé de sciences physiques, retraité)

Il existe bien sur une foultitude de modèles d'intérieurs stellaires, mais la température centrale du Soleil peut être déduite par un calcul "de coin de table" à partir de considérations thermodynamiques assez simples.

Un étoile est en équilibre hydrostatique, chaque couche de gaz supportant le poids de toutes les couches supérieures. Il en résulte une pression qui augmente vers l'intérieur. La variation de la pression P avec la distance r au centre de l'étoile est donnée par :



avec
M(r) est la masse contenue dans la sphère de rayon r,
ρ(r) la densité en r,
G la constante de gravitation.

Le signe négatif signifie que la pression diminue vers l'extérieur c-à-d quand r augmente.


On peut avoir un ordre de grandeur de de la pression interne Pi en remplaçant dP par Pi - Ps = Pi (pression interne moins pression de surface, qui est nulle), dr par R, le rayon de l'étoile, M(r) par M la masse de l'étoile et ρ(r) par la densité moyenne ρ = M/(4/3πR³). On obtient :



L'application numérique donne Pi = 271 TPa

Cette pression est principalement assurée par l'agitation thermique du gaz Pg.



avec
n la densité de particules libres, données par le ratio de la densité massique par la masse moyenne d'une particule libre µ ramenée à la masse du proton m_p.
Pour l'hydrogène entièrement ionisé µ ~ 1/2 (la masse de l'atome sensiblement égale à la masse du proton se partage entre un proton et un électron) et pour l'hélium ionisé µ = 4/3 (la masse du noyau de 4 nucléons se partage entre un noyau et deux électrons). Pour un gaz de composition solaire, 3/4 d'hydrogène et 1/4 d'hélium on a µ = (3/4 * 1/2 + 1/4 * 4/3) ~ 0,7

k la cte de Boltzman
T la température

Connaissant la pression centrale on peut en déduire la température correspondante :



T ~ 16 MK

On n'est pas loin des 15 MK, juste avec une application numérique sommaire basée sur des considérations physiques très classiques.

Ensuite on peut affiner cette estimation sur la base de la réactivité des réactions nucléaires. Il en existe de deux types : les réactions de la chaîne proton-proton, qui s'allument vers T = 2 MK et les réactions du cycle de Bethe ou cycle CNO (la réaction est catalysée par la présence de noyaux C, N et O) qui deviennent prédominantes au delà de T ~ 20 MK (donc pour des étoiles un peu plus massives que le Soleil).

La réactivité ɛ c'est à dire le flux d'énergie relargué par unité de volume est fonction de la composition, de la densité et de la température du mélange :

ɛ_p-p ~ X_p² ρ T⁴
ɛ_CNO ~X_p X_CNO ρ T¹⁶

avec X_p et X_CNO resp. l'abondance d'hydrogène et de noyaux C, N, O dans le mélange.

En considérant que le Soleil est à l'équilibre, la mesure de sa luminosité permet d'en déduire le nombre de réactions nucléaires des deux types qui se déroulent au centre, et comme c'est très sensible à la température, resp. en T⁴ et en T¹⁶, la simple mesure de la luminosité de l'étoile représente une sonde assez fine de la température centrale.