Bonjour,
Quand on dit qu'un nuage de gaz (avec une densité de quelques atomes par litre) a une température de 1000° ou même beaucoup plus, cela signifie exactement quoi?
Si on y plonge un thermomètre je pense qu'il indiquera 0K ( ou 3K).
Faut-il comprendre que si le nuage avait la densité de l'air au niveau du sol, alors avec la même agitation de ses particules, on obtiendrait ces températures ?
Merci pour vos réponses
Salut,
C'est la même chose en fait. Même si la densité est très faible (de l'ordre de quelques atomes par litre), la température est définie par l'agitation des atomes (molécules).
Et un thermomètre se mettrait à cette température...... sauf que ça prend du temps, forcément, le temps qu'il y ait eut suffisamment de chocs avec les atomes du gaz. Ou suffisamment de rayonnement (d'une étoile proche, souvent source de cette température élevée, sinon le gaz se refroidirait).
"Il ne suffit pas d'être persécuté pour être Galilée, encore faut-il avoir raison." (Gould)
Est ce que c'est vrai même si le thermomètre est de la taille habituelle, 10cm environ ? La température du gaz est définie de façon statistique sur un grand volume et le thermomètre ne mesurerait pas forcément sur un échantillon assez grand non ?Envoyé par Deedee81
D'accord mais vu qu'on n'a pas de thermomètre comment fait on pour évaluer la température ?
Disons un nuage avec 10 atomes / cm^3 agités d'une vitesse de 100 km/s ; peut on avec ces éléments évaluer sa température ?
Si c'est non homogène oui, mais sinon ça sera juste.... fort long.
C'est toi qui parlait d'un thermomètre !!!!!
Sinon pour évaluer depuis la Terre, on mesure la lumière (au sens large : infra-rouge, ondes radios,...) émise par le nuage et on applique les lois de rayonnement des corps noirs.
Une seule vitesse ?On va avoir une distribution statistique. Mais disons pour faire simple que c'est ça. Dans ce cas on utilise l'énergie cinétique, E = mv²/2 (avec m la masse de l'atome, en général c'est soit un atome d'hydrogène ou une molécule d'hydrogène à basse température). On calcule les degrés de liberté (ici c'est facile, il y en a trois, les directions spatiales) n. Et on a E = nkT, ce qui donne la température.
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Grand merci voilà qui éclaire bien ma lanterne
Ça a été évoqué mais à mon sens pas assez pour que Tartempion comprenne : la température (du bulble du thermomètre ici) résulte d'un équilibre thermodynamique, et cet équilibre fait intervenir les 3 modes de transport de la chaleur : conduction, convection, rayonnement. Dans un espace extrêmement raréfié, la conduction est négligeable, la convection archi-négligeable, seul reste le transfert par rayonnement qui fonctionne normalement. Dans le milieu interstellaire on ne parle donc que de transfert radiatif.
Donc ce qu'affiche le thermomètre dépend essentiellement de son éclairement, typiquement par une étoile comme évoqué par DD, et ça va dépendre de la taille angulaire de l'étoile et de sa température de surface. A l'orbite terrestre, on est éclairé par un disque de 30" de diamètre à 6000 K et ça donne une température d'équilibre d'environ 110°C pour une surface noire perpendiculaire au rayonnement incident (ça correspond à la température du sol lunaire à midi)
Si on le met à l'ombre, alors le thermomètre est soumis à un rayonnement à 3K idéalement, le "fond du ciel", et lui émet en fonction de sa température initiale, et donc il refroidit jusqu'à se mettre à l'équilibre avec le fond du ciel.
Si on veut mettre le thermomètre à l'équilibre avec le gaz raréfié de la nébuleuse, il faut placer le thermomètre dans une enceinte idéale parfaitement réflechissante (qui empèche le rayonnement de s'échapper) pour que seul le régime de conduction préside à l'équilibre. Comme dit, ça va prendre un paquet de temps, et attention, il faut que l'enceinte soit suffisamment grande, car le corps du thermomètre, à lui tout seul, si on prend un bulbe de disons 1 gramme plongé dans un nuage moléculaire d'une densité typique de 1000 proton/cm3, représente la masse de ~1014 m3 de ce milieu (un cube de 100 km de côté). Pour que la mesure signifie qqchose, il faut que la masse du capteur soit négligeable par rapport au système mesuré.
Dernière modification par Gilgamesh ; 19/11/2022 à 16h31.
Parcours Etranges
Prenons un nuage moléculaire interstellaire, ou intergalactique (comme dans l'amas du Coma) donc loin de l'influence directe des étoiles. Ce sont bien les chocs entre molécules qui génèrent du rayonnement ? Avec toutes les précautions évoquées ce rayonnement peut être absorbé par le "thermomètre". Mais les molécules peuvent aussi frapper directement le thermomètre et alors il y aura transfert d'énergie, est il si négligeable que ça par rapport au mode radiatif ?
Oui, mais il faut un choc inélastique. Un choc élastique c'est quand 2 particules s'entrechoquent et échangent leur énergie sans rien dissiper à l'extérieur. C'est le plus fréquent. Mais de temps en temps, un électron peut changer d'orbitale puis redescendre en émettant un photon, il y a perte d'énergie, le choc est inélastique et le gaz refroidit.
Quand on parle de transfert par conduction (ou convection), c'est ça : le choc des molécules directement contre la paroi.Avec toutes les précautions évoquées ce rayonnement peut être absorbé par le "thermomètre". Mais les molécules peuvent aussi frapper directement le thermomètre et alors il y aura transfert d'énergie, est il si négligeable que ça par rapport au mode radiatif ?
Est-ce négligeable ? Voyons ça. On va prendre un nuage d'hydrogène de masse atomique m = 1,6.10-27 kg, de température T = 5000 K, de densité n = 1000 cm-3. On considère que la surface du bulbe du thermomètre a une surface S = 1 cm2. On imagine pour simplifier que chaque choc d'un atome d'hydrogène contre la paroi communique au thermomètre la totalité de l'énergie cinétique de la particule. Combien faut-il de temps pour apporter 1 joule ?
L'énergie des particules est telle que :
E = 1/2 mv² = 3/2 kT
avec k la cte de Boltzmann, ce qui donne une vitesse de l'ordre de :
v ~ 11 km/s
La fréquence des chocs N est :
N = nSv,
la puissance P transmise est :
P = EnSv
P ~ 10-14 W.
La durée nécessaire pour transmettre 1 J est :
τ = 1/P
τ ~ 3 millions d'années
Oui, c'est négligeable
Sinon, les nuages moléculaires, ci-dessous la fameuse nébuleuse de l'Aigle, sont des sites de formations d'étoiles, ils sont donc très fortement influencés par la présence d'étoiles en leur sein, notamment les plus massives, très lumineuses et très chaudes dont l'intense rayonnement UV va creuser des "cavernes" à l'intérieur et produire par fluorescence toutes ces jolies couleurs.
Pour les gaz d'amas, on a également un chauffage intense par les étoiles mais pas par leur rayonnement principalement, surtout par les ondes de choc des supernova. Donc ici en fait c'est pas le rayonnement qui chauffe, mais... une forme de convection, à corriger sur mon message précédent, en fait les mouvements de matière (convection) jouent un rôle très supérieur à la conduction aux grandes échelles, sous forme d'onde de choc ou de jet à différentes échelles (des jeunes étoiles en formation au trou noir accrétant supermassif).
Enfin bref : dès qu'on est dans une galaxie ou au sein d'un amas, rien n'est isolé, le gaz est chauffé de partout.
Pour trouver du gaz froid, il faut soit aller très loin des sources de rayonnement ou d'ondes de choc, soit se trouver dans un milieu très calme, soit être protégé par les poussières (c'est comme ça qu'on trouve du gaz très froid dans les amas moléculaires, ce qui entretient la formation d'étoiles).
Dernière modification par Gilgamesh ; 11/11/2022 à 11h52.
Parcours Etranges
Re : Température d'un nuage interstellaire
Merci Gilgamesh pour toutes ces précisions.
Et encore, si l'on apporte 1J au thermomètre il risque d'en perdre une partie par radiation.
Sur un exemple plus réaliste, c'est ce qui se passe dans les météorites ferreuses pour obtenir un réseau de Widmanstätten de taille centimétrique, il faut je crois un refroidissement de l'ordre d'un degré par million d'années.
Salut,
Précision purement de physicien.
Notons que dans les gaz ordinaires, les transferts inélastiques de ce type se font surtout avec les rotations et vibrations moléculaires. Les énergies d'excitation électronique étant d'énergie plus grande, sauf à haute température, on les néglige. Mais dans un gaz atomique comme dans les nuages interstellaires il ne reste que ces excitations et comme elles ne sont pas faciles, cela explique le "de temps en temps" ci-dessus
Ah je ne connaissais pas, je viens d'aller jeter un oeil. Alors là, c'est le refroidissement lent par excellence
Merci aussi à Gilgamesh pour toutes ces précisions quantitatives.
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