Question sur les nébuleuses / nuages de gaz dans l'espace

[Shoeii]

Bonjour,

Dernièrement dans un jeu vidéo appelé Star Citizen, des nébuleuses ou nuages de gaz ont été introduite au niveau des points de Lagrange du systéme solaire.

Si le but premier est de différencier et rendre unique chaque station spatial qui se trouve au niveau des points de Lagrange, Star Citizen est un jeu qui se veut relativement réaliste, et cela conduit à certaine question sur la plausibilité et la physique de tel nuage de gaz.

Première question, est il physiquement possible que des nuages de gaz s'accumule de façon suffisante autour d'un point de Lagrange ? sur les forum du jeu j'ai entendu dire que seul les points L4 et L5 étaient stable et donc pouvait accumuler de la matière sur une longue période et donc potentiellement créer des nuages de gaz.

Deuxième question, Dans le jeu les nuages de gaz font plusieurs dizaine de milliers de kilomètres, ce qui est beaucoup à l'échelle d'un jeu vidéo, mais trés peu par rapport au grande nébuleuse connu qui s'étende parfois sur plusieurs centaines d'année lumière, est il possible que des nuages de gaz de taille aussi petite se forme ?

Troisième question, Ces nuages émettent de la lumière, d'après la variété de couleur ils ne font pas juste refléter la lumière de l'étoile mais produise bien leur propre lumière, je crois qu'on parle de nébuleuse par émission, ou le gaz est ionisé par la lumière de l'étoile, j'imagine qu'il faut atteindre une densité de matière particulière pour que ce phénomène se produise, est ce que ca serait physiquement possible au sein des point de Lagrange d'un système ?

Quatrième question, dans le jeu il existe différente combinaison spatial conçu pour différente température, certaine planètes ont une atmosphère comme Vénus à plusieurs centaine de degrés, alors que d'autre planète ont une atmosphère très froide, et dans l'espace ou sur les lunes sans atmosphère il n'y a pas de "température" faut de matière pour la transférer, c'est donc relativement réaliste, mais les développeur on précisé que l'on perdrait de la chaleur dans les nuages de gaz.

Je me pose donc la question, est ce que la densité de matière dans ces nébuleuse est assez importante pour que la conduction se produise ? est ce que tout les nuages de gaz seraient froid ? les nuages de gaz ionisé qui émettent de la lumière ne seraient il pas extrêmement chaud ? quel disparité de température dans un même nuage de gaz peut on attendre ?

Merci d'avance pour vos réponse.
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[Gilgamesh]

Des nuages de gaz en position troyenne (point de Lagrange L₄ et L₅) nope, mais des nuages de poussières why not.

J'ai trouvé cet article de géo-ingénierie qui permet de dégrossir le problème et d'approcher certains ordres de grandeurs

THE FEASIBILITY OF SHADING THE GREENHOUSE WITH DUST CLOUDS AT THE STABLE LUNAR LAGRANGE POINTS


L'idée : chopper une comète et la placer à un point de Lagrange L_4,5 Terre-Lune. Elle va dégager des poussières qui vont adopter une trajectoire complexe sous l'effet de la gravité et de la pression de radiation. L'idée ici est de masquer une partie du rayonnement solaire pour lutter contre le réchauffement climatique.

La pression de radiation chasse les poussière d'autant plus rapidement qu'elle sont menues (ratio masse/surface augmente comme le rayon de la particule et les plus grosse particule sont moins sensibles à la pression de radiation). C'est aussi pour ça que ce n'est pas possible de piéger du gaz, qui va subir l'effet conjoint du rayonnement qui va l'exciter à qq milliers de K (température exosphérique typique) et du balayage par le vent solaire.

Par rapport à Star Citizen c'est pas complètement débile d'avoir des points de Lagrange L_4,5 empoussiérés, à condition de renouveler périodiquement ce qui s'en échappe.

Pour la forme exact du nuage l'illustration extraite de l'article donne la trajectoire simulée d'un grain de 100 µm au cours du temps, c'est complexe... je pense que pour la forme générale faut plutôt imaginer un tore, avec un gradient décroissant de taille de grain centré sur les points de Lagrange.

[Shoeii]

Merci pour ces précisions, mais quand est il de la température des nébuleuses ?

Sur la page wikipedia des nébuleuses d'émission il est dit qu'elles ont une température moyenne entre 10 000 et 20 000 K

Mais la densité de matière dans ces nébuleuses est extrêmement faible par rapport à l'atmosphère terrestre par exemple, donc si je sautais au milieu d'un tel nuage avec une combinaison spatial, est ce que je serais consumé instantanément, ou est ce que la densité de matière ne serait pas assez importante pour que des transferts de chaleur se produisent ?

Plus généralement existe il une régle mathématique qui permet de déterminer les transferts de chaleur en fonction de la densité et de la composition d'une atmosphère ? Par exemple si je suis sur Mars qui a juste atmosphère 200 fois moins importante que celle de la terre, est ce que la densité de matière au niveau du sol permet toujours la conduction de facon notable ? combien de temps avec que mon corps arrive à la même température que l'atmosphère de mars ?

[Gilgamesh]

Merci pour ces précisions, mais quand est il de la température des nébuleuses ?

Sur la page wikipedia des nébuleuses d'émission il est dit qu'elles ont une température moyenne entre 10 000 et 20 000 K

Mais la densité de matière dans ces nébuleuses est extrêmement faible par rapport à l'atmosphère terrestre par exemple, donc si je sautais au milieu d'un tel nuage avec une combinaison spatial, est ce que je serais consumé instantanément, ou est ce que la densité de matière ne serait pas assez importante pour que des transferts de chaleur se produisent ?

Plus généralement existe il une règle mathématique qui permet de déterminer les transferts de chaleur en fonction de la densité et de la composition d'une atmosphère ? Par exemple si je suis sur Mars qui a juste atmosphère 200 fois moins importante que celle de la terre, est ce que la densité de matière au niveau du sol permet toujours la conduction de facon notable ? combien de temps avec que mon corps arrive à la même température que l'atmosphère de mars ?

La température du milieu spatiale est un concept assez subtil. Je reposte une explication du concept de "température spatiale" en 4 étapes. Je l'ai écris au départ pour un corps en orbite autours de la Terre, soumis au rayonnement solaire :

Etape 1 : La température c'est l'énergie moyenne d'agitation des particules. En première approximation l'espace est vide (la densité est 20 ordres de grandeur plus faible que celle de l'atmosphère au niveau du sol). Donc en première approximation, le vide spatial n'a pas de température.

Etape 2 : En seconde approximation, si faible soit elle, la densité du vide spatiale est non nulle. Donc on peut bien définir une température de ce milieu résiduel. Elle est très élevée, typiquement 10⁴ K, voir plus, cela dépend du flux coronal du Soleil. Mais la densité est si faible que la chaleur transmise au corps plongés dans ce gaz ultra ténu est tout à fait négligeable (ce qui justifie la première approximation).

Etape 3 : la température est une notion qui s'applique non seulement à la matière mais au rayonnement. Un rayonnement "à 10 000 K" c'est le rayonnement à l'équilibre avec un surface à 10 000 K. La Soleil diffuse au niveau de l'orbite terrestre un flux intense (1400 W/m2) de rayonnement à 6000 K. La température d'une surface recevant ce flux s'équilibre selon la formule que je détaille ci après.
edit : Sur Mars la densité atmosphérique est nettement supérieure donc le refroidissement par conduction pas négligeable... mais 200 fois moins que sur Terre. Le problème des cosmonautes sur Mars sera surement plus de refroidir la combi que de la réchauffer, comme sur la Lune.

Etape 4 : mais ceci c'est la température du rayonnement solaire. La température du rayonnement "de l'espace" c'est la température du "noir" de l'espace. Ce noir de l'espace rayonne comme une surface à 3K, qui est la température de l'univers.

En définitive, vu que la conduction et convection sont nulle, seul les pertes et les gains radiatifs sont à prendre en compte. Ils dépendent de la température de la surface du corps lui même et de la température de rayonnement de la "parois" qui fait face à l'objet.

Il y en a trois à considérer : le Soleil comme on l'a vu, l'espace et, en orbite terrestre, le rayonnement de la Terre sur tout une moitié du corps. Ce rayonnement est constitué du flux d'albédo (le rayonnement solaire reflechie par la planète) et de son rayonnement thermique dans l'IR. Ensuite faut considérer la fraction d'angle solide qu'occupe la planète dans ton champs de vision.

Si la planète est très éloignée, au point d'être ponctuelle, toute ta parois est constitué par le "fond du ciel" en l’occurrence l'espace profond de température ~ 3K (toujours si tu es à l'ombre évidemment).

Une fois que tu as la température de rayonnement sur la totalité de la sphère qui t'entoures, ça te donne le flux de rayonnement que tu reçoit ϕ et il faut avoir le coefficient d'émissivité ε et d'absorptivité α de la surface du corps considéré. Ca se pioche dans des tables.

La température d'équilibre radiatif T est donnée par :

T = ⁴√[(α/ε)(ϕ/σ)]

où σ désigne la cte de Stefan (5,67.10^-8 J.K^-4.m^-2.s^-1)

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Ok, donc si j'enlève le Soleil est ce qu'il va faire froid ? Là on retrouve le contraste entre les 2 composants que je mentionnais dans ma première réponse : le gaz et les poussière. Schématiquement : le gaz est chaud (en gros à l'équilibre thermique avec le rayonnement émis par les les étoiles ~10⁴) tandis que la poussière peut rester froide, autours de 200K ou moins. Et dans certaines régions, cruciales pour la formation stellaire, la température du gaz lui même peut chuter jusqu'à celle des poussières.

On va prendre un nuage moléculaire (typiquement : la nébuleuse d'Orion). La densité va de 10 (dans la phase chaude transparente) à 10⁶ (au cœur des régions poussiéreuses où se forment les étoiles) protons/cm³. C'est beaucoup moins que les meilleurs vides terrestres (autours de 10⁸ atomes/cm³). La densité de poussières, ça correspond à une particule de ~0,1 µm tous les 100 m... Là encore, c'est extrêmement raréfié par rapport à tout référentiel terrestre. Toutefois, l'épaisseur optique d'un milieu avec cette densité de poussières n'est "que" de 1 année-lumière. Comme ces complexes moléculaires s'étendent sur des centaines d'années-lumière, on va trouver des régions qui sont à l'abri du rayonnement stellaire. Les poussières, en plus de faire écran, jouent le rôle de "radiateur". Le problème pour refroidir un gaz, c'est de lui permettre de rayonner l'énergie qu'il a reçu par le choc avec typiquement le photon UV émis par une étoile géante née récemment dans le nuage. Pour rayonner, il faut un choc inélastique. Dans un milieu ultra-raréfié, les chocs sont ultra rares et le refroidissement très inefficace. Une poussière c'est comme une montagne à l'échelle de l'atome. Tous les chocs avec une poussière sont inélastiques : le réseau cristallin atomique va vibrer et réémettre l'énergie du choc en infra rouge, le milieu se refroidit, ce qui augmente sa densité, ce qui augmente encore l'efficacité du refroidissement radiatif. Effet écran + radiateur = refroidissement du milieu. Et c'est grâce à ça que les nuages peuvent s'effondrer sous l'effet de la gravité pour former des étoiles.

[A voir en vidéo sur Futura]