laboratoire de physique et chimie de l’environnement et de l’espace - la...
TRANSCRIPT
![Page 1: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/1.jpg)
La nature du Soleil et des étoiles
1. Spéculations sur la nature du Soleil : avant laspectroscopie
2. Mesurer le Soleil : masse, luminosité3. Soleil : durée de vie et source d’énergie - idées du
XIXème siècle4. L’énergie nucléaire du Soleil - XXème siècle5. L’évolution des étoiles
Gilles Theureau, LPC2E Orléans
30 novembre 2017
![Page 2: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/2.jpg)
2
La nature du Soleil et des étoiles (antiquité grecque)
• Anaxagore (Vème siècle av JC) : Soleil = rocher incandescent
• Aristote (IVème siècle av JC) : – les corps célestes ne sont pas constitués des 4 éléments terrestres
(terre, eau, air, feu); – matière céleste = « éther », « quintessence » (nom donné après
Aristote); – correspondance corps - type de mouvement
• 4 éléments - mvts rectilignes vers « le bas » ou « le haut » ; • « éther » - mvt circulaire;
– principes philosophiques sans lien direct avec l’observation, bienque certaines observations puissent servir à les étayer (exemple :la différence apparente entre les mouvements des astres et lachute des corps terrestres).
• Pas de réflexion plus approfondie dans l’antiquité grecque.
![Page 3: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/3.jpg)
3
L’abandon de la séparation aristotélicienne entre sublunaire et supra-lunaire
(1) Génération et corruption dans le monde supra lunaire : – Tycho Brahe et la distance des comètes, absence de parallaxe
de la « nouvelle étoile », née à partir d'un fluide galactique– Fabricius, Harriot, Galilée, Scheiner : taches solaires
(2) Galilée : observation de la Lune, non sphérique, surface rugueuse,similaire à la Terre (Sidereus Nuncius)
Au début du XVIIème siècle, les observations commencent à suggérerque la matière des astres n’est pas fondamentalement différente
de celle de la Terre (confirmation des idées de certains penseurs précédents, voir Philopon).
⇓
![Page 4: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/4.jpg)
4
La nature du Soleil : Emmanuel Kant (1750)• Surface du Soleil : lacs de feu étendus, tempêtes qui créent
l'aspect variable du Soleil, couvrant parfois les régions élevées duSoleil, et les laissant dégagées à d’autres instants (taches).
⇒ Notion de terre solide sous les flammes.
⇒ Existence de la combustion (analogie terrestre) ; suppositiond’un réservoir d’air dans les cavernes de ce corps prétendumentsolide.
• Soleil/étoiles similaires aux planètes (cf Laplace, Herschel …).
• Notions importantes :– durée de vie finie du Soleil, – variabilité de la luminosité (= étoiles variables), – analogue au feu qui s’éteint et se rallume par endroits.
![Page 5: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/5.jpg)
5
Le système solaire selon Laplace (1796)
• Observations :
les orbites des planètes autour duSoleil sont (presque) dans le mêmeplan (puisque les planètes suiventtoutes presque la même trajectoirele long du zodiaque).
• Même sens de révolution autourdu Soleil,
Même sens de rotation autour del’axe de la planète.
• Révolutions de leurs satelliteségalement dans le même sens.
Cela ne peut pas être du hasard,mais indique une cause commune
⇒ formation des planètes àpartir du Soleil
http://www.imcce.fr/page.php?nav=hosted_sites/vt2004/fr/fiches/fiche_n08_C1.html
![Page 6: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/6.jpg)
6
Le raisonnement de Laplace
Exposition du système du monde, ch. VI (~ 1796) :
(EXTRAIT)
• Interprétation erronée de la supernova de 1572 de Tycho Brahe (enfait une vieille étoile, pas une jeune - voir plus loin)
• Interprétation ultérieure (encore admise de nos jours) de la contractiondu Soleil par Laplace : le Soleil s’est formé par contraction d’unénorme nuage de gaz froid, sous l’effet de sa gravitation (contractionà partir de la « nébuleuse primitive »), analogie avec les« nébuleuses » vues au télescope.
![Page 7: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/7.jpg)
Mesurer le Soleil
Luminosité et masse
![Page 8: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/8.jpg)
8
Une nouvelle notion : l’évolution du Soleil
• Abandon de la séparation supra-lunaire/incorruptible -sublunaire/transitoire
• Notion de la durée de vie finie du soleil : - réservoir de combustible (Kant),
- formation du Soleil (Laplace),
- spéculations sur l’évolution (Herschel…)
![Page 9: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/9.jpg)
9
Une nouvelle notion : l’évolution du Soleil
• Abandon de la séparation supra-lunaire/incorruptible -sublunaire/transitoire
• Notion de la durée de vie finie du soleil : - réservoir de combustible (Kant),
- formation du Soleil (Laplace),
- spéculations sur l’évolution (Herschel…)
Mais il manque :
- la compréhension de l’origine et du transport de la chaleur,
- la mesure des paramètres du Soleil (masse, température,composition chimique …)
⇒ mieux comprendre sa nature et son budget d’énergie (combien de temps le Soleil peut-il briller pour un processus donnéde génération d’énergie ?)
![Page 10: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/10.jpg)
10
La masse du Soleil
• Loi de gravitation (Newton) : on sait décrire quantitativementl’attraction entre Soleil et Terre et entre Terre et Lune.
⇒ Possibilité de déterminer les masses des astres.
• Raisonnement simplifié : la Terre (masse m) tourne sur orbitecirculaire autour du Soleil (masse M) immobile
![Page 11: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/11.jpg)
11
Mesurer le Soleil : la luminosité (1)
• Claude Pouillet (1790-1868),
John Herschel (1792-1871)
• Principe : mesurer le flux d’énergie en exposant,pendant une durée précise, une quantité connued’eau (a) à la chaleur du Soleil, puis mesurerl’augmentation de T (thermomètre d)
• Résultats : environ la moitié de la valeur actuellede 1,4 kW/m2 (absorption atmosphère Terre) :« constante solaire »
⇒ Estimation de la température à la surface duSoleil : env 1700 °C
Soleil
Pyrhéliomètre (Pouillet, 1837)
![Page 12: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/12.jpg)
12
La luminosité du Soleil (2)
Un m2 à la Terre n’intercepte qu’une petite fraction de l’énergie duSoleil. Quelle est la puissance émise par le Soleil ?
d
A la distance de la Terre (d),l’énergie émise par le Soleil estrépartie sur une sphère de rayon d, donc de surface 4 π d2 (d = 150 x 109 m).
La puissance émise par le Soleil (L)est le produit de la constante solaire par cette surface.
La puissance émise par le Soleil (luminosité) vaut
L = 4π (150 x 109 )2 x 1400 W ≈ 4 x 1026 W.
![Page 13: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/13.jpg)
Soleil : durée de vie etsource d’énergie
![Page 14: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/14.jpg)
Source d’énergie et durée de vie du Soleil
Quel âge ont le Soleil et la Terre ?
• Renaissance (XVIIème siècle) : tjrs interprétation littérale de la bible → James Ussher (1650), évêque anglican d’Armagh : création au soirprécédant le 23 Oct 4004 av JC
→ conflit Eglise - science, p. ex. Buffon (1770) et le refroidissement desphères de métal ~ 77000 ans
• Début de réflexions physiques au XVIIIème siècle (Lumières) :
Kant, Laplace, …
• Discussion physique/géologie XIXème siècle : – Thermodynamique; conservation de l’énergie– le Soleil ne peut être plus jeune que la Terre ; – combien de temps le Soleil peut-il maintenir son rayonnement avec un
processus donné de génération d’énergie ?
• Réponse définitive : physique nucléaire, XXème siècle
![Page 15: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/15.jpg)
La conservation de l’énergie (1)• Conservation de la masse (Lavoisier, réactions chimiques :
« rien ne se crée, rien ne se perd, tout se transforme »)
• Mécanique :
inertie ⇒ vitesse = cste, si pas de force (Galilée, Newton …)
chute libre (Huygens 1665) : ⇒ transformation d’énergie gravitationnelle en énergie cinétique
(première notion de la conservation de l’énergie mécanique)
![Page 16: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/16.jpg)
• Transformation travail en chaleur (frottements, courantsélectriques) et de chaleur en travail (machine à vapeur, finXVIIIème). Absorption de nourriture et maintien de latempérature du corps chez les animaux.
• J.R. Mayer, H. von Helmholtz, J.P. Joule (vers 1845) :
l’énergie ne peut être créée ou détruite - c’est une grandeur« conservée » (1er principe de la thermodynamique).
« Au cours d'une transformation quelconque d'un système fermé, lavariation de son énergie est égale à la quantité d'énergie échangéeavec le milieu extérieur, par transfert thermique (chaleur) et transfertmécanique (travail). » (wikipédia)
• Conclusion : le Soleil rayonne (donc perd) de l’énergie
⇒ Tentative d’explication par l’énergie chimique : comment /pendant combien de temps peut-il maintenir son rayonnement parla combustion (Kant, …) ?
La conservation de l’énergie (2)
![Page 17: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/17.jpg)
• Combustion (énergie chimique - voir Kant). J.R. Mayer (1846) :
en 1 h, 1 cm2 de la surface du Soleil émet la chaleur dégagée par lacombustion d’1 tonne de charbon. Le Soleil mettrait < 5000 ans à seconsumer.
• Un petit exercice numérique
supposons que le Soleil fonctionne comme un moteur à essence :
combien de temps le Soleil pourrait-il briller étantdonnée sa puissance actuelle (4 x1026 W) ?
Moteur à essence : puissance 40 kW
consomme 8 l / 100 km, vitesse 100 km/h
⇒ réservoir 8 l (~ 8 kg) pour 1 heure,
Soleil: puissance (consommation) 4 x 1023 kW/40 kW = 1022 fois supérieur
réservoir 2 x 1030 kg / 8 kg = 2,5 x 1029 fois supérieur
⇒ fonctionne (2,5 x 1029 / 1022 ) x 1 heure = 3 000 ans.
Pourquoi le Soleil brille-t-il ? (1)
Bien trop court !
![Page 18: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/18.jpg)
Kepler :
« il y a plus de comètes dans les cieux quede poissons dans l'océan »
• J.R. Mayer (1846):
flux de comètes / astéroïdess’écrasant sur le Soleil
= transformation d’énergiegravitationnelle en chaleur
→ la chute d'un astéroïde produit de4000-9000 fois plus de chaleur que lacombustion d'une masse égale decharbon
• Taches solaires = marques duflux des comètes/astéroïdes ?
Pourquoi le Soleil brille-t-il ? (2)
Une comète chute sur le Soleil (juillet 2011, observation du satellite SoHO, ESA/NASA)
![Page 19: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/19.jpg)
W. Thomson (Lord Kelvin, 1862)
Hésitations
« A considérer toutes les circonstances, l’hypothèse est peu probableque le rayonnement solaire soit actuellement compensé de façonappréciable par un apport de chaleur engendrée par des météoreschutant au Soleil ; et, comme on peut montrer qu’aucune théoriechimique n’est tenable, on aboutit à la conclusion la plus probableque le Soleil n’est à présent qu’une masse liquide incandescente quise refroidit. »
« La forme de la théorie météorique qui nous paraît maintenant laplus probable … consiste à supposer que le Soleil et sa chaleur ontleur origine dans une agglomération de petits corps qui chutent àcause de leur gravitation mutuelle et engendrent, comme ils doivent lefaire selon la grande loi démontrée par Joule, une quantité de chaleurexactement équivalente du mouvement perdu lors de la collision. …Il n’y a pas de difficulté à rendre compte, par cette théorie, de 20millions d’années [d’âge du Soleil]».
La « grande loi démontrée par Joule » : loi de conservation de l’énergie.
![Page 20: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/20.jpg)
Pourquoi le Soleil brille-t-il (3) ?• Problème de l’hypothèse de la chute des astéroïdes / comètes :
soit le Soleil devrait grossir (et la Terre devrait accélérer son mvt orbital- non observé), soit il manque de matière pour maintenir sonrayonnement. L’hypothèse se révèle donc intenable.
• Alternative : formation du système solaire à partir de la contractiond’une nébuleuse primitive (Laplace, Kant) ⇒ toute la matière duSoleil chute vers son centre, transformant son énergie gravitationnelleen chaleur (Waterston, von Helmholtz, Kelvin - milieu XIXème siècle ).Quelle durée de vie ?
• Une estimation simple → environ 20 millions d’années.
Energie gravitationnelle d’une sphère uniforme :
![Page 21: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/21.jpg)
• Est-ce suffisant ?
• Deuxième moitié XIXème siècle: – oui (d’après les physiciens); – conflit avec idées sur évolution de la Terre, déduites de réflexions sur la
formation des structures à la surface de la Terre ou sur l'évolution desespèces (> 100 x 106 années, d’après certains géologues + Darwin)
→ Kelvin a une telle autorité que Darwin retire son estimation de l’âge de laTerre. À tort !
• Datation des roches par la radioactivité, fin XIXème/début XXèmesiècle : âge de la Terre ≥ 109 ans
⇒ comme le Soleil ne peut être plus jeune que la Terre, l’énergiegravitationnelle se révèle insuffisante pour alimenter son rayonnement !!!
Pourquoi le Soleil brille-t-il (4) ?
![Page 22: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/22.jpg)
22
• L’idée aristotélicienne que le Soleil est constitué d’une matière différente decelle de la Terre est abandonnée aux XVIIème/XVIIIème siècles.
– Essentiel : taches en tant que phénomène solaire. – Fin XIXème : Soleil, étoiles = sphères de gaz chaud.
• Le constat que le Soleil est une source de chaleur entraîne des comparaisonsavec la combustion et la notion d’une durée finie de la vie du Soleil.
• La loi de la conservation de l’énergie et la mesure du flux d’énergie du Soleilpermettent de tester quantitativement différents mécanismes de générationd’énergie. Incertitude : âge du Soleil (ou de la Terre).
• L’énergie solaire se révèle beaucoup trop importante pour être expliquée parl’un des mécanismes connus de la physique « classique » (du XIXème siècle),combustion ou gravitation.
• Premières idées sur la composition chimique du Soleil au XIXème siècle (voircitation Kelvin & cours naissance de l’astrophysique).
Résumé
![Page 23: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/23.jpg)
Pourquoi le Soleil brille-t-il ?
Une nouvelle formed’énergie : l’énergie nucléaire
![Page 24: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/24.jpg)
Source d’énergie et durée de vie du Soleil
Quel âge ont le Soleil et la Terre ?
• Renaissance (XVIIème siècle) : tjrs interprétation littérale de la bible → James Ussher (1650), évêque anglican d’Armagh : création au soirprécédant le 23 Oct 4004 av JC
→ conflit Eglise - science, p. ex. Buffon (1770) et le refroidissement desphères de métal ~ 77000 ans
• Début de réflexions physiques au XVIIIème siècle (Lumières) :
Kant, Laplace, …
• Discussion physique/géologie XIXème siècle : – Thermodynamique; conservation de l’énergie– le Soleil ne peut être plus jeune que la Terre ; – combien de temps le Soleil peut-il maintenir son rayonnement avec un
processus donné de génération d’énergie ?
• Réponse définitive : physique nucléaire, XXème siècle
![Page 25: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/25.jpg)
25
Une nouvelle source d’énergie: la radioactivité
• H. Becquerel 1896 : l’uranium altère des plaques photographiques.
• Curie et Laborde 1903 : des sels de radium libèrent de la chaleur sansse refroidir à la température ambiante.
• Rutherford 1904 : découverte de l’émission de « particules alpha »(=noyaux atomiques d’hélium) ; exemple : noyau d’uranium setransforme en noyau thorium, en émettant une ‘particule alpha’ (= noyaud’hélium)
Nombre de protons
+ neutrons
Nombre de protons
![Page 26: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/26.jpg)
26
Energie nucléaire (1)
• Le noyau d’atome le plus simple : hydrogène (H) = 1 proton
• Le noyau d’un atome plus lourd que l’H est composé de protonset neutrons (découverte neutron : 1932). Exemple :
hélium (He) 2 protons + 2 neutrons.
• Pourquoi les protons ne se
repoussent-ils pas, bien qu’ils aient
la même charge électrique ?
p
n
n
p
p
![Page 27: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/27.jpg)
Energie nucléaire (2)
• Le noyau atomique est maintenu par une interaction spécifique(interaction forte) qui agit à très courte distance et dépasse, surcette distance, la répulsion coulombienne des protons.
• Les noyaux très lourds (beaucoup de protons et de neutrons)sont radio-actifs: ils se désagrègent et libèrent ainsi de l’énergie(fission nucléaire).
• Des noyaux légers libèrent de l’énergie en
s’assemblant (fusion nucléaire)
• Les noyaux d’atomes se transforment parce que l’état final aune énergie (= une masse) moindre que l’état initial: E = mc2 (Einstein 1905).
n
n
p
p
![Page 28: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/28.jpg)
28
• Les noyaux les plus stables (énergie de liaison maximale) sont ceux dufer (Fe) et du nickel (56 nucléons)
• Libération d’énergie nucléaire par (a) la fission d’un élément lourd (p. ex. U), (b) la fusion d’un élément léger (p. ex. H)
Energie de liaison /Nucléon [MeV]
Nombre de nucléons
Energie nucléaire (3)
![Page 29: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/29.jpg)
29
• Rutherford (1904) : « La découverte des éléments radioactifs qui, lorsde leur désintégration, libèrent d’énormes quantités d’énergie,augmente donc la limite possible de la durée de vie sur cette planète,et nous permet d’envisager la durée prétendue nécessaire pourl’évolution par les biologistes et les géologues. »
• La fission ne peut être le mécanisme de génération d’énergie duSoleil parce que :
– le Soleil ne contient pas assez d’éléments lourds (fait connu au début duXXème siècle ; voir thèse de C. Payne, cours « Naissance de l’astrophysique »).
– la fission ne dépend pas de la température de l’étoile, alors que laluminosité des étoiles en dépend (loi de Stefan).
La fission nucléaire - source d’énergie des étoiles ?
![Page 30: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/30.jpg)
30
• Harkins & Wilson (1915) : libération énorme d’énergie lors de laconversion de H en He
• Perrin 1919 : un scénario– Si nébuleuse primitive constituée de particules légères (p. ex.
H, He; voir nébuleuse Orion):– contraction du nuage primitif augmente T ;– formation d’atomes plus lourds et dégagement de rayons
gamma (= énergie) restant dans l’astre et contribuant àaugmenter T ;
– Soleil peut ainsi maintenir son rayonnement pendantplusieurs milliards - plusieurs dizaines de milliards d’années
(EXTRAIT)• Développement de la théorie : Eddington …
La fusion nucléaire - source d’énergie des étoiles
![Page 31: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/31.jpg)
31
4 noyaux d’hydrogène (protons)
⇓1 noyau d’hélium (He)
2 p se sont transformés en neutrons (n)
Fusion nucléaire au centre du Soleil :
Selon la loi de conservation de la masse (« rien ne se perd, rien ne se crée … »),la masse du noyau d’hélium devrait être la somme des masses des 4 protons.Mais …
4 milliards de milliards de p : 6,690 micro-grammes1 milliard de milliards de noyaux de He : 6,646 micro-grammes
Masse « perdue » : 0,044 micro-grammes
La masse « perdue » se retrouve sous forme d’énergie (encore « rien ne se perd,rien ne se crée » !) :
E = mc2 = 3,97 Mega-Joule = 1,10 kWh pour 1 kg (Einstein 1905). Son réservoir d’hydrogène permet au Soleil de briller pendant 9-10 milliards d’années.
p p
pp
nnp
p
![Page 32: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/32.jpg)
L’évolution des étoiles
De la formation à la fin de vie
![Page 33: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/33.jpg)
33
• Kant, Laplace (2ème moitié XVIIIème) :
réservoir limité d’énergie, durée de vie limitée des étoiles; origine desétoiles = nébuleuse primitive; contraction par gravitation
• Astrophysique :– 2ème moitié XIXème siècle: analyse spectrale, thermodynamique.
Etoile = sphère de gaz (fluide), chauffage par gravitation– Idée générale sur le début de l’évolution d’une étoile: nuage de gaz,
contraction, chauffage grâce à l’énergie libérée par la gravitation (voir J.Perrin, plus haut)
– XXème siècle: énergie nucléaire, relativité & mécanique quantique;états auparavant inconnus de la matière - possibilité de libérer del’énergie par la fusion nucléaire si le gaz est suffisamment chaud; lechauffage libérée par la gravitation peut déclencher le démarrage de lafusion (texte J. Perrin plus haut)
Les deux ingrédients de l’évolution d’uneétoile : gravitation et fusion nucléaire
![Page 34: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/34.jpg)
34
La formation d’une étoile: nos idées actuelles
• Contraction d’un nuage de gazfroid (idée nébuleuse primitive,Kant & Laplace, XVIIIème)
• Origine de la contraction : gravitation & pression del’environnement (gaz chaud,ondes de choc d’une supernova)
• Si T>107 K:
démarrage fusion H → He (dépasser répulsioncoulombienne !)
Un nuage interstellaire froid: la nébuleuse de la« tête de cheval » (constellation Orion)
![Page 35: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/35.jpg)
35
Un groupe d’étoiles jeunes
• les « Pléiades »
• Proximité des étoiles =indication qu’elles seforment en groupes (J.Michell, XVIIIème siècle)
• Raison : un grand nuagede gaz qui se contractese fragmentera (+rotation)
Remarque : masse de Jeans & milieu interstellaire
T~100 K ; hydrogène neutre ;densité ρ ~106 à 108 atomes par cm3
→ Mc ~103 à 104 masses solaires
→ formation d'un amas d'étoile
![Page 36: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/36.jpg)
La classification des spectres des étoiles (1)
Soleil
L(é
toile
) /
L(S
olei
l)Température [K]
40000 20000 10000 5000 2500
10-2
10-4
102
104
106
1
chaude & faible
chaude & brillante
froide & faible
froide & brillante
Classification des étoiles selon leur spectre: pour un gaz en équilibrethermodynamique L=4 π R2 σ T4 (loi de Stefan); une étoile est brillante parce qu’elle est (1) chaude ou (2) grande.
H.N. Russell,1914
Hipparcos,1995
Séquence principale
Naines blanches
Géantesrouges
Diagramme Hertzsprung-Russell
T
![Page 37: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/37.jpg)
37
La grande majorité des étoiles segroupe le long de la séquenceprincipale (SP).
Les étoiles rouges plus brillantes quecelles de la SP doivent, à T égale,posséder des rayons supérieurs(géantes).
Les étoiles blanches moins brillantesdoivent avoir des rayons moindres queles étoiles de la SP (naines blanches).
Beaucoup d’étoiles sur la SP parce quec’est la phase d’existence la pluslongue d’une étoile (fusion H → He).
Peu de naines blanches parce qu’ellessont difficiles à détecter.
Séquence principale
Naines blanches
Géantesrouges
La classification des spectres des étoiles (2)
L=4 π R2 σ T4
T
L
![Page 38: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/38.jpg)
38
L’évolution des étoiles après la fusion de l’hydrogène
• Conservation de l’énergie : les étoiles ont une durée de vie finie
• Modèles : fusion H → He, puis ???– Arrêt fusions et fin de vie en tant qu’étoile compacte (« naine blanche »)– Fusion d’éléments plus lourds (nécessite des températures de plus en
plus élevées pour surmonter répulsion électrostatique) jusqu’au fer (fin dela possibilité de gagner de l’énergie par fusion)
⇒ incapacité de maintenir la gravitation par la pression
⇒ effondrement de l’étoile + éjection des couches externes (« supernova »)
![Page 39: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/39.jpg)
39
Ejection de l’enveloppe stellaire
• Ejection partie extérieure del’enveloppe (faiblementmaintenue, car F ∝ 1/r2) :nébuleuse planétaire .
• Nébuleuse (plus ou moins)sphérique, env. 10% de lamasse de l’étoile.
• Résidu : noyau de l’étoile,composé d’éléments lourds(He, C, O, …) ; chaud,puisqu’on voit des couchesinternes, très dense (naineblanche).
Cliché télescope spatial Hubble
![Page 40: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/40.jpg)
D’autres cycles de fusion
• Dans les grosses étoiles (grande masse) la contraction élève la T° et peut aboutirà un nouveau cycle de fusion :
3(4He) → 12C + énergie … → 56Fe + énergie
• Ces étoiles construisent peu à peu les éléments chimiques !
Energie de liaison /nucléon [MeV]
Nombre de nucléons
![Page 41: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/41.jpg)
41
D’autres cycles de fusion
• Impossible de libérer de l’énergie par fusion si centre de l’étoile constitué de 56Feou 56Ni (max. de l’énergie de liaison).
• La gravitation contracte le noyau sans augmenter la pression (température) quipuisse lui résister → collapse noyau de l’étoile → éjection couches externes(« supernova »).
Energie de liaison /nucléon [MeV]
Nombre de nucléons
![Page 42: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/42.jpg)
Les étapes ultimes de l'évolution stellaire
![Page 43: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/43.jpg)
43
Résumé : nature et évolution des étoiles
• « Rocher incandescent » (Anaxagore) - 5ème espèce de matière (Aristote) -liquide incandescent (XXème siècle) - gaz ionisé (depuis fin XIXème siècle).
• Production d’énergie pendant des durées longues, mais finies (fusionnucléaire).
• Phase stable : fusion H → He (Soleil actuel, durée environ 10 milliardsd’années, plus courte pour étoiles de grande masse).
• Production des éléments chimiques lourds à partir de H, He dans étoiles(jusqu’au Fe) et lors des supernovae (jusqu’à l’U).
• Nous devons les éléments lourds (y compris C, O) sur Terre aux générationsprécédentes d’étoiles.
• Au début du XXème siècle, la compréhension du fonctionnement et del’évolution des étoiles a besoin d’une physique « nouvelle »: physiquequantique, théorie de relativité. Besoin de surmonter l’intuition formée parnotre expérience quotidienne pour comprendre la physique aux échelles del’atome et en présence de très grandes masses.
![Page 44: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/44.jpg)
44
Vingt à cinquante millions d’années, voilà donc ce qui aurait dû suffire à l’histoireque nous racontent les terrains lentement déposés au fond des mers, et les restesfossiles des végétaux ou des animaux. Or on sait que la discussion de ces donnéesstratigraphiques et paléontologiques (auxquelles sont venues récemment se joindrecelles que livrent les minéraux radioactifs), ne permet guère d’admettre que la Terreou le Soleil aient beaucoup changé, s’ils ont changé, depuis un milliard d’années. Etnous n’apercevons d’ailleurs aucun signe d’un changement prochain. La théorie siremarquable de Kelvin est donc insuffisante.
Il semble que nous pouvons lever la difficulté. Imaginons que les poussièresminuscules ou les molécules isolées qui forment la nébuleuse primitive soientconstituées par des atomes légers tels que ceux de l’hydrogène, de nébulium ou dehélium. En se heurtant les unes contre les autres, avec les grandes vitesses qu’ellesavaient peut-être déjà en venant du large, ou qu’elles prennent en tombant vers lecentre de la nébuleuse, ces particules dégagent de la chaleur, et la températuremoyenne s’élève progressivement. Ainsi, d’une part, la nébuleuse se contractant, lesconjonctions doivent venir de plus en plus nombreuses entre atomes légers capablesde se réunir en atomes lourds, et, d’autre part, la température s’élevant, l’intensité desradiations qui peuvent déterminer ces réunions va en croissant. Pour cette doubleraison, la formation d’atomes lourds devient notable, puis de plus en plus importante,s’accompagnant de rayons ultra X qui, pour la plus grande part, ne sortent pas del’astre dont la température devient colossale : l’étoile s’est allumée.
Jean Perrin, Annales de Physique 1919 Nébulium=élément non identifié à l’époque, en fait un ion de fer.
![Page 45: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/45.jpg)
Epilogue
1. Les populations stellaires2. La structure spirale3. Les grandes structures de l'Univers4. La formation hiérarchique des galaxies5. L'Univers primordial et la croissance des perturbations
Gilles Theureau, LPC2E Orléans
http://lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/histoire.html
![Page 46: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/46.jpg)
La distribution des amasglobulaires par H.Shapley (1918)EXTRAIT
Retour sur la scéance précédenteLa mesure des distances
![Page 47: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/47.jpg)
La distribution des amas globulaires par H.Shapley (1918)
les hypothèses :
les amas globulaires et la Voie Lactée forment un seul système
les amas sont identiques entre eux
les étoiles du voisinage solaire sont identiques à celles des amas*
l'extinction interstellaire est négligeable*
la zone d'absence est due à une impossiblité dynamique pour les amas globulaires et une force répulsive pour les nébuleuses spirales*
Retour sur la scéance précédenteLa mesure des distances
![Page 48: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/48.jpg)
Le Grand Débat
1920: Shapley et Curtis invités à débattre devant l'Académie des Sciences
![Page 49: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/49.jpg)
Shapley
La comparaison des * B proches du Soleil et avec celles des amas donne pour M13 d~35,000 a.l.
Pas d'extinction car en dehorsdu Plan Galactique
Les AGs sont distribués symé--triquement autour d'un point situé à 60,000 a.l. du Soleil
si les spirales sont des VL, ellesdoivent être extrêment loin, ce quiest démenti par la nova de 1885
les mvts propres de Van Maanensont fatals aux univers-iles
Les * B et les géantes des amas sont plus brillantes que les géantes bleues de notre voisinage → d surestimée
la distribution des spirales montreune zone d'absence qui s'expliquesi la VL est un univers-île avec une bande de poussières dans le plan
25 novae connues, 16 dans M31→ 1 million d'a.l. pour M31
les spirales ont un spectre stellaire(cf Scheiner 1899)
les redshifts → vitesses énormes,impossible pour des objets internes
Curtis
![Page 50: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/50.jpg)
1923-1929: les céphéides extragalactiques de Hubble
11 céphéides dans NGC6822 → 700,000 a.l.35 céphéides dans M33 → 860,000 a.l.40 céphéides dans M31 → 900,000 a.l.
→ les spirales sont bien au-delà de la Voie Lactée
La mesure des distances
![Page 51: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/51.jpg)
Trumpler (1930):l'extinction repousse les distances des spiraleset réduit la taille de la Voie Lactée
Hubble (1938):les mouvement de rotations de Van Maanen étaient un artefact
Baade (1946):il existe deux types de populations stellaires, et donc deux types de céphéides :
celles des amas globulaires sont 1.4 mag moins brillantes que celles du disque des galaxies spirales
→ des distances 101.4/5 soit 1.9 fois supérieures
Epilogue
![Page 52: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/52.jpg)
Les populations stellaires (Baade 1944: Populations I et II)
pas la même répartition spatiale
pas la même vitesse ni le même type d'orbite
pas les mêmes compositions chimiques
pas le même âge
![Page 53: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/53.jpg)
Amas jeune
pas la même place dans
le diagramme magnitude-couleur
![Page 54: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/54.jpg)
Amas vieux
pas la même place dans
le diagramme magnitude-couleur
![Page 55: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/55.jpg)
Les populations stellaires (Baade 1944: Populations I et II)
Baade (1944)
pas la même place dans
le diagramme magnitude-couleur
![Page 56: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/56.jpg)
Bulbe, halo
10 à 15 .109 ans (pop. II)
sphérique
pas de rotation, σv importante
fort gradient radial, log[Fe/H] → -3 à -1.5
Les populations stellaires (Baade 1944: Populations I et II)
Disque 0.1 à 5 .109 ans (pop. I)
120 pc < |zm| < 700 pc,
croît avec l'âge
orb. circulaires et elliptiques, σv croît avec l'âge
0.2< log[Fe/H] < 2, décroît avec l'âge
âge
distributionspatiale
cinématique
métallicité
![Page 57: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/57.jpg)
La structure spirale:
en optique:régions HII, étoiles OB, amas galactiques jeunes, céphéides...
en IR, radio:nuages moléculaires, poussières, hydrogène neutre
type possible SAB(r)bc
• Faiblement barrée• Ouverture des bras modérée• Anneau stellaire possiblemais difficile à mettre en évidence
![Page 58: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/58.jpg)
L'apport de la radioastronomie
la structure spiraletracée par l'émissionà 21-cm de l'hydrogèneneutre du milieuinterstellaire(Oort, 1964)
La structure spirale:
![Page 59: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/59.jpg)
Dans le millimétrique : carte de CO (115GHz), traceur de H2
dans le visible 500 nm
Dans l'infrarouge à 1.2, 1.6, 2.2 μm
Les observation multi-longueurs d'onde
![Page 60: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/60.jpg)
disque mincez < 400 pc
disque épaisz < 2000 pc
haloR(*) ~12 kpcR(gaz) ~25 kpc
bulbe< 1000 pc
![Page 61: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/61.jpg)
![Page 62: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/62.jpg)
La structure spirale:
- pb de l'enroulement : résultats d'une onde de densité
- régularité des bras liée au M/L et M*/Mgaz
- contraste bras/inter-bras plus fort pour le gaz
- création d'une onde choc → compression du gaz et de la poussière→ plus d'instabilité gravitationnelle→ plus de formation d'étoiles
![Page 63: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/63.jpg)
Le Groupe Local
• Les galaxies du Groupe Local : Unequarantaine de membres en bordurede l’amas de la Vierge.
• 3 galaxies spirales (M31, MW, M33)
• En grande majorité constitué depetites galaxies naines sphéroïdales etde naines irrégulières.
Crédit M.Haywood
![Page 64: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/64.jpg)
Le Groupe Local
• Les galaxies du Groupe Local : Unequarantaine de membres en bordurede l’amas de la Vierge.
• 3 galaxies spirales (M31, MW, M33)
• En grande majorité constitué depetites galaxies naines sphéroïdales etde naines irrégulières.
Crédit M.Haywood
![Page 65: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/65.jpg)
La Voie Lactée / aux autres galaxies spirales duGL
AG 20, haloAG 400 halo, bulbe,disque
AG 150 halo, bulbe
-18.9-21.1MV=-20.6
101254Rotation 220km/s
Pas de bulbeBulbeBulbe
Déficient-0.6Halo [Fe/H]=-1.5
8kpc 25kpcRayon 12kpc
M33 Sc M31 SbVoie Lactée SBAbc
Crédit M.Haywood
![Page 66: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/66.jpg)
L’importance de l’environnement : les galaxiessatellites
Années 90 :•les scénarios cosmologiquesCold Dark Matter (prédictions)•Découvertes observationnelles
La Voie Lactée s’est-elle formée(partiellement/totalement) parl’accrétion de petites structures ?
Crédit M.Haywood
![Page 67: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/67.jpg)
And V (satellite de M31)
Sculptor (satellite de notre Galaxie)
-> ‘Low surface brightness’ galaxies(LSB)
NGC6822s(M31)
Galaxies naines sphéroïdales du Groupe Local :
Crédit M.Haywood
![Page 68: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/68.jpg)
Le courant magellanique HI
Mais pas de contrepartie détectée dans les comptagesd’étoiles
Masse estimée : 109M๏, soit ¼ à ½ du contenu HI de la VoieLactée
Crédit M.Haywood
![Page 69: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/69.jpg)
Autre exemple : Queues de marée des amasglobulaires
Palomar 5
La Galaxie interagit avec son environnement, mais quel est son importance ?
Crédit M.Haywood
![Page 70: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/70.jpg)
Interactions
Crédit NASA
![Page 71: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/71.jpg)
Les galaxies lointaines
Crédit NASA
![Page 72: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/72.jpg)
Les galaxies lointaines
Crédit NASA
![Page 73: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/73.jpg)
Le million de galaxies les plus billantes (LEDA)
Grandes structures
Crédit CRAL Observatoire de Lyon
![Page 74: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/74.jpg)
Grandes structures
Crédit SDSS
Crédit CFHT
![Page 75: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/75.jpg)
Vous ètes ici
![Page 76: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/76.jpg)
Le super-continent de galaxies Laniakea (Science, 2014)
![Page 77: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/77.jpg)
Le fond diffus cosmologiquecroissance des structures à partir des perturbations de densités initiales
![Page 78: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/78.jpg)
Le fond diffus cosmologiquecroissance des structures à partir des perturbations de densités initiales
![Page 79: Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace - La …lpc2e.cnrs-orleans.fr/~theureau/Cours9_2017_2018.pdf · 2017-11-30 · 4 La nature du Soleil : Emmanuel](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022041621/5e3ed726a0965d6ac92a281e/html5/thumbnails/79.jpg)