Pourquoi le soleil brille

Je me demande quel est le rigolo qui m’a glissé ce bouquin, en cadeau, dans un colis d’achats en ligne ?

D’habitude on a droit au "couteau-Suisse-boussole-lampe-torche" très pratique dans le métro, ou à la "glacière multipoche" indispensable au bureau, voire à la doudoune matelassée essentielle en vacances d’été à St Tropez… Mais non, ce livre a beau s’appeler « Pourquoi le Soleil brille », il n’est sponsorisé ni par une chaîne de clubs de vacances méditerranéens ni par une quelconque marque de crème solaire. C’est un authentique livre de vulgarisation scientifique (parfois ardu) centré sur l’astre de nos jours !

Comme tout un chacun, j’avais ma petite idée sur la question, mais je l’ai quand-même mis sur une étagère en lui donnant rendez-vous pour plus tard. Deux ans ont passé et voilà que "Sciences et Avenir", Hors-Série été 2023, fait sa UNE sur le Soleil et sur Roland Lehoucq, l’auteur du livre en question ! Il est donc temps de l’extraire de son purgatoire…

Si vous voulez poursuivre, accrochez-vous, on va décoller !... (Les passages un peu trop abscons sont sous spolier, mais j’avertis le lecteur éventuel que je ne suis pas scientifique, seulement un technicien amateur des sciences et de l’aventure spatiale à laquelle j’ai eu le bonheur de participer pendant plus de trente années. J’ai donc pu commettre des erreurs en commentant ce livre).

Il faut bien être un poète innocent pour chanter « Le Soleil à rendez-vous avec la Lune… » car ils ont beau faire, ils se louperont toujours de quelque cent-cinquante millions de kilomètres, une paille ! Mais les hommes ne l’ont pas toujours su, et donc, il y a longtemps qu’une multitude de curieux se demande pourquoi la lumière est restée allumée, là-haut.

Roland Lehoucq, qui sait beaucoup de choses, nous dit que, déjà, Anaximène (env. –550) pensait que le Soleil était une boule de feu chauffée par sa course rapide dans l’air (ne vous moquez pas, c’est une idée comme une autre, il y a encore aujourd’hui beaucoup de gens qui affirment des choses sans savoir !). Pour d’autres, au contraire, Soleil, étoiles, comètes… s’éteignent chaque jour pour se rallumer à leur lever (là, c’est l’interrupteur qui est hyper costaud !).

Quant à Aristote (env. –350), il décrit ce que l’on voit. C’est si évident que beaucoup y croient encore aujourd’hui : la Terre est au centre de tout et tout tourne autour, Lune, Soleil, étoiles, etc. La luminosité et la chaleur du Soleil sont dues aux frottements engendrés par le mouvement de la sphère à laquelle il est fixé.

Suit une myriade de mathématiciens et autres philosophes qui y vont chacun de leurs théories plus ou moins convaincantes jusques et y compris Copernic (1473-1543) et son modèle héliocentrique et même Galilée (1564-1642) interprétant les tâches solaires… Toutes ces controverses, démonstrations et contre-démonstrations, affirmations et réfutations ont au moins le mérite de montrer que la science est une perpétuelle remise en question et que si Roland Lehoucq prend soin de détailler ce long travail de réflexion au travers des siècles, ce n’est pas pour faire une histoire des sciences mais bien pour montrer la volonté et l’acharnement des hommes à la compréhension des lois de l’univers.

Roland Lehoucq est né en 1965 à Issy-les-Moulineaux. Il est astrophysicien au CEA. Ancien élève de l'École normale supérieure (promotion 1985) agrégé de physique (1989), il obtient son doctorat à l’Université Pierre-et-Marie-Curie en 1992, année où il est recruté comme chercheur au Commissariat à l'énergie atomique de Saclay et travaille sur l’astrophysique des hautes énergies puis en cosmologie.

« Pourquoi le Soleil brille » fait partie des quelques trente-cinq ouvrages qu’il a commis ou auxquels il a participé.

Et pendant ce temps-là, il passe (le temps) et les chercheur cherchent « Au début du XIXe siècle, la chaleur était encore décrite comme une substance subtile, forme atténuée et impondérable de la matière nommée "calorique". »

Il ne fait de doute pour personne que cette éblouissante lumière solaire est une conséquence de sa température, mais d’où vient cette chaleur ?

Pour le médecin physicien allemand Julius Robert von Mayer (1814-1878) l’origine est extérieure, elle est due à la dissipation de l’énergie cinétique de fragments de matière qui tombent en permanence sur le Soleil. (p. 41)

Oui, mais alors, la masse du Soleil devrait augmenter ce qui aurait pour effet de diminuer la période orbitale de la Terre, qu’il estime entre 0,4 et 0,75 s par ans, ce qui semble faible, mais sur des millions d’années… cette diminution n’a pas été observée par le astronomes.

Pour un autre physicien, anglais celui-là, William Thomson (1824-1907), plus connu sous le nom de Lord Kelvin, si les météorites proviennent de l’intérieure de l’orbite terrestre, elle doit rester inchangée. « Thomson en conclut donc que non seulement les météorites sont à l’origine de la chaleur solaire, mais qu’il s’agit là de la seule cause concevable à partir des preuves dont nous disposons. » (p. 52)

Il s’oppose à Kant (1724-1804) et Laplace (1749-1827) qui prônent la formation des corps célestes par agglomération gravitationnelle (de gaz et poussières). En 1860 Thomson exprime des doutes sur la théorie météoritique et reconnait les travaux de Hermann von Helmholtz (1821-1894) aboutissant au principe connu sous le nom de « contraction gravitationnelle de Kelvin- Helmholtz ».

Enfin Thomson (Kevin) se livre à des calculs sur la durée de vie du Soleil qui lui font dire « Il est très probable que le Soleil n’a pas éclairé la Terre depuis plus de 100 000 000 d’années… » (p. 72)

Alors intervient Charles Darwin (1809-1882) ses observations et sa théorie de l’évolution qui situe les origines de la vie sur Terre bien au-delà des cent millions d’années (Le plus ancien fossile d'animal terrestre découvert, en juin 2020, est celui d'un arthropode, vieux de 425 millions d'années).

De publications en controverses, la communauté scientifique sort ses tablettes et multiplie les communications. Ainsi Jonathan Lane (1819-1880) qui estima la température de surface du Soleil à environ 30 000°C. Calculs repris par Thomas See (1866-1962) qui trouve 6 000°C en surface et au minimum 10 millions au centre (p. 80). Quant à l’astrophysicien Arthur Eddington (1882-1944), il montra que la luminosité d’une étoile dépend uniquement de sa masse (elle est proportionnelle au cube de sa masse), fournissant une interprétation naturelle du diagramme de Hertzsprung-Russel (HR pour les intimes !) (p. 96).

Spoiler(cliquez pour révéler)« Le diagramme de Hertzsprung-Russel […] est sans doute le graphique le plus important de l’astrophysique. […] L’axe vertical représente la magnitude apparente des étoiles, c’est-à-dire leur éclat vu depuis la Terre, tandis que l’axe horizontal porte un indicateur de la température de l’étoile. » On constate que les points représentatifs des étoiles ne sont pas dispersés sur l’ensemble du graphique mais semblent se placer sur une ligne diagonale : les étoiles les plus lumineuses et les plus chaudes étant situées en haut à gauche du diagramme, les moins lumineuses et les plus froides, en bas à droite, constituant l’ensemble appelé "séquence principale" qui regroupe l’essentiel des étoiles.

On trouve une importante concentration d’étoiles "froides et brillantes" les « géantes et supergéantes rouges » dot la température de surface avoisine 3000 K pour un diamètre qui peut atteindre 100 fois celui du Soleil. Ainsi qu’un groupe de « naines blanches », étoiles chaudes peu lumineuses, de très petite taille (de l’ordre de celle de la Terre).

« Les recherches en physique stellaire ont permis de comprendre la répartition des étoiles dans le diagramme HR et que le point représentatif d’une étoile s’y déplace au fil de son évolution. […] Ainsi, les étoiles se concentrent sur la séquence principale car elles y passent 90 % de leur vie en évoluant très peu, brûlant l’hydrogène en leur cœur. La branche des géantes et supergéantes regroupe des étoiles au stade suivant de leur évolution […] les naines blanches sont les cadavres des étoiles de masse inférieure à huit masses solaires. »

Pour revenir à Eddington. Il montra que la longévité d’une étoile était d’autant plus faible que sa masse était importante : une étoile 10 fois plus massive que le Soleil durera 100 fois moins longtemps ! (p. 103)

Et alors ? Alors, à l’époque on estimait à 20 millions d’années l’ancienneté du Soleil ! Les géantes, 100 fois plus lumineuses… n’auraient que 100 000 ans d’existence !?... Il y a un os, là !

Et puis il y a un problème d’égo, les astronomes et physiciens n’admettent pas trop que des géologues et biologistes viennent les contredirent – à chacun son métier et les vaches… etc.

Au fait, je ne sais pas si vous avez remarqué, mais ça manque sérieusement de femmes dans le coin !

Eh bien en voilà une qui montre le bout de son chignon… et pas n’importe laquelle : Marie Curie (1867-1934) qui, avec son mari Pierre Curie (1859-1906), montrent que le radium émet un rayonnement dont l’énergie est très supérieure à celle dégagée par les réactions chimiques (de l’ordre du million de fois !). Mais la rareté des éléments radioactifs ne permet pas de donner une explication satisfaisante. Néanmoins la voie nucléaire est ouverte !

En 1915 William Harkins (1873-1951) montre que les 27 premiers éléments ont des masses atomiques multiples entiers de celle de l’hydrogène et constate que la masse atomique de l’hélium est pratiquement le quadruple de celle de l’hydrogène ce qui suggère que le noyau peut être construit par l’assemblage de quatre noyaux d’hydrogène …

En 1919 cette proposition est reprise par le physicien français Jean Perrin (1870-1942) et appliquée au Soleil : « La valeur qu’obtient Perrin confirme que la conversion d’une très faible fraction de la masse du Soleil en énergie suffit à maintenir son rayonnement au rythme actuel pendant plusieurs milliards d’années. »

Et donc, voilà qu’Eddington se réveille et, sans avoir lu Perrin, il écrit : « Si 5 % de la masse d’une étoile est initialement composée d’atomes d’hydrogène qui se combinent progressivement pour former des éléments plus complexes, la chaleur libérée suffira amplement aux besoins d’une étoile et il est inutile de chercher plus loin sa source d’énergie. » En effet, transformer 5 % de la masse du Soleil d’hydrogène en hélium libère suffisamment d’énergie pour faire briller le Soleil pendant 5,8 milliards d’années.

Spoiler(cliquez pour révéler)Note de bas de page, pour qui ça intéresse :

« Les lecteurs et lectrices pourront vérifier cette valeur sachant que le Soleil a une masse de 2 x 10^30 kg et une luminosité de 3,8 x 10^26 watt : 5 % de la masse du Soleil représente 10^29 kg, dont la conversion en hélium dégage une énergie de 6,9 x 10^43 joules, suffisante pour faire briller le Soleil 1,8 x 10^17 secondes, soit environ 5,8 milliards d’années. » (p. 120)

C.Q.F.D.

Bon, ce n’est pas moi qui dirai le contraire… mais il y en a, si ! Une histoire de protons, de charges électriques qui se repoussent et de température à dix millions de degrés… un peu trop fraîche !

Qu’est-ce que c’est que ce Binz ?

Pour comprendre que des réactions de fusion puissent se produire, il faut aussi comprendre que pour que deux noyaux de charges positives puissent se rapprocher suffisamment pour fusionner en dépit de leur répulsion, il faut – en physique classique – que les noyaux soient suffisamment rapides, c’est-à-dire que le gaz soit assez chaud. L’estimation des 10 millions de degrés du cœur solaire n’est pas suffisante !

Mais en physique quantique, « une particule peut franchir cette barrière énergétique même si son énergie est inférieure à la hauteur de cette barrière. » C’est "l’effet tunnel", purement quantique, qui résulte de la description ondulatoire de la matière, propre à cette physique (vous m’en direz tant !). (p. 125)

Si j’ai compris ce qui suit (il m’arrive d’être totalement largué) il semblerait qu’en 1929 Robert Atkinson (1898-1982) et Friedrich Houtermans (1903-1966) utilisent "l’effet tunnel" pour imaginer un « piège à protons » repris dix ans plus tard par Hans Bethe (1906-2005) et Carl von Weizsäcker (1912-2007) qui proposent un cycle de réactions, le « cycle CNO » (carbone-azote-oxygène) permettant de transformer l’hydrogène en hélium dans les étoiles dont la masse dépasse environ 1,3 fois celle du Soleil. Je ne rentrerai pas dans le détail du cycle à part le fait que des isotopes de carbone, d’azote et d’oxygène servent de catalyseurs et sont régénérés en fin de cycle…

À la même époque Charles Critchfield (1910-1994) propose la "chaîne pp" (il me semble me reconnaître) : la fusion de deux protons (le diproton) permettant de transformer l’hydrogène en hélium dans les étoiles dont la masse est inférieure ou égale à celle du Soleil. Je suis sûr que mourez d’envie de savoir comment pp fonctionne ! Eh bien je vous renvoie aux pages 130 à 133 du bouquin où la ronde des protons, neutrons, positrons et autres neutrinos donne le tournis !

Pour avoir la preuve que les théories avancées sont correctes, on pratique la chasse aux neutrinos !

Le neutrino, une étrange "bestiole", le rêve fantasmé de tout chauffard voulant échapper à la police…

Le neutrino est créé lors de la fusion de deux protons en un noyau de deutérium, il n’a pas de charge électrique, une masse quasiment nulle, insensible à l’électromagnétisme, à la gravitation, il fuit à la vitesse de la lumière et peut traverser un mur de plomb d’une épaisseur … d’une année lumière (vous avez ça, chez vous ?) ! Autrement dit, il traverse le Soleil et, si l’envie lui prend, la Terre, vous et moi, sans ralentir d’un iota ! Alors, en captant une fraction de ces neutrinos on vérifie que ces réactions nucléaires sont bien à l’œuvre au centre du Soleil.

Spoiler(cliquez pour révéler)Comme a priori, le filet à papillons ne devrait pas marcher, fin 1960 Raymond Davis (1914-2006) imagine une piscine contenant 615 tonnes de tétrachloroéthylène (C2Cl4) dans une mine du Dakota du Sud à 1478 m de profondeur (pour la mettre à l’abri de tout autre particule) : s’il est assez futé, le neutrino devrait réagir avec un neutron d’un noyau de chlore et le transformer en proton = transmutation d’un atome de chlore-37 en un atome d’argon-37 ! Astucieux, non ? Il n’y a plus qu’à attendre… 26 ans plus tard, l’accumulation des mesures confirme un écart avec la prédiction du modèle : les 2/3 des neutrinos solaires se sont volatilisés !

Dans les années 1990 on recommence, cette fois-ci avec du gallium-71 qui, en absorbant un neutrino se transforme en germanium-71. Après quelques années de fonctionnement les mesures ne représentent que 60 % du flux prédit par le modèle : les réactions nucléaires ont bien lieues mais les mesures sont en désaccord quantitatif avec le modèle solaire standard.

Décidément, ils veulent l’attraper, le chauffard ! Une troisième méthode est tentée, dans de l’eau, cette fois : en agissant sur une molécule d’eau, un neutrino qui percute un électron lui transmet une part de son énergie, en se déplaçant l’électron émet une lumière bleutée, la « lumière Tcherenkov », émise dans une direction précise. D’où l’utilisation d’une "bassine" de 39 m de haut et 42 m de diamètre contenant 50 000 tonnes d’eau pure, aux parois tapissées de 13 000 photomultiplicateurs … 2 ans plus tard, 50 % des neutrinos attendus ont donné signe de vie !

Il y a vraiment un problème…

Au fait, je ne vous l’ai pas dit ! Un neutrino peut changer de "forme" (ou "saveur"), il peut être électronique, muonique ou tauique (non, pas stoïque). Le physicien italien Bruno Pontecorvo (1913-1993) montra que le neutrino pouvait passer de la forme électronique à la forme muonique en traversant de la matière, phénomène appelé « oscillation des neutrinos » et que contrairement à ce qui était supposé, le neutrino avait une masse non nulle, très faible, mais pas nulle. Avec une masse non nulle, le phénomène d’oscillation pouvait convertir bon nombre de neutrinos électroniques créés à l’intérieur du Soleil en neutrinos muoniques ou tauiques. En combinant les résultats obtenus sur les différentes formes de neutrinos en tenant compte de l’oscillation, la cohérence entre modèle et observation devenait satisfaisante. Trente ans d’efforts et d’arrachage de cheveux !

On ne va pas quitter les neutrinos comme ça : « chaque seconde, chaque centimètre carré de la Terre est frappé par 66 milliards de neutrinos » ! (p. 153)

Tout ça pour dire quoi ?

Une étoile comme le Soleil est à l’équilibre entre deux forces opposées : sa gravité propre qui rassemble sa matière, et sa pression interne. La différence de température entre le centre du Soleil et sa surface va conditionner son évolution. La chaleur, c’est-à-dire l’énergie d’agitation des particules va tenter d’uniformiser la température en se déplaçant des régions chaudes (centrales) vers les régions froides (en surface). Arrivée en surface cette énergie ne peut s’échapper que sous forme de lumière (et voilà pourquoi votre fille est muette !).

Spoiler(cliquez pour révéler)Si vous avez bien compris, alors vous pourrez dire à qui veut l’entendre qu’« une étoile se réchauffe en rayonnant » !

Allons bon !

Tout s’explique, l’énergie totale d’une étoile (énergie potentielle gravitationnelle [négative] plus énergie d’agitation des particules [positive]) diminue sous l’effet du rayonnement : l’étoile perd de l’énergie sous forme de lumière. L’énergie totale d’une étoile est égale à la moitié de son énergie potentielle gravitationnelle ("théorème du viriel" démontré en 1870 par Rudolf Clausius [1822-1888]). Une diminution de l’énergie totale s’accompagne d’une diminution du rayon de l’étoile ce qui provoque une augmentation de la pression et donc de la température des régions centrales. De sorte qu’une étoile se réchauffe en perdant de l’énergie ! (p. 167)

Je cherchais une bonne conclusion, Roland me l’offre sur un plateau – entre deux pages, devrais-je dire –, il s’agit d’un raccourcis de toute cette formidable aventure au travers des siècles (p. 178-180) :

En fait, tout a commencé vers 1610 quand Galilée découvre que quatre lunes tournent autour de Jupiter, que la Voie lactée est composée de milliers d’étoiles si proches les unes des autres qu’on ne peut les distinguer, que le sol de la Lune est formé de montagnes… Aristote se retourne dans sa tombe ! Les satellites de Jupiter remettent en cause le système géocentrique. Les étoiles invisibles à l’œil nu montrent qu’elles ne sont pas toutes à la même distante, l’Univers serait-il infini ? Si la Lune présente des montagnes, comme la Terre, inversement, la Terre serait-elle comme la Lune ? Et c’est tout naturellement que Newton énonça une loi de gravitation universelle. Mais qu’en est-il de l’intérieur des étoiles dont nous n’avons aucune information directe ? C’est Eddington qui a forgé l’astrophysique moderne en soutenant que l’on doit utiliser les lois physiques découvertes et confirmées sur Terre pour comprendre les étoiles. Les astrophysiciens doivent se contenter d’observer les phénomènes depuis une position fixe dans l’espace et le temps et élaborer des modèles cohérents avec les observations et les lois physiques reconnues valides à ce moment. Le modèle doit être explicatif et prédictif, s’ils ne le sont pas ils doivent être amendés ou abandonnés. C’est ce que fait Thomson quand il conserve l’hypothèse de la contraction gravitationnelle pour expliquer l’origine de la chaleur solaire. L’hypothèse n’est peut-être pas correcte mais c’est la seule à rendre compte des observations menées. L’observations des neutrinos solaires ont permis, à leur tour, de valider des mécanismes physiques dont les conséquences sont longtemps restées inobservables.

« Ce qui définit les sciences n’est donc pas leurs objets d’études, mais bel et bien la façon dont elles les étudient. »

P.S. : S’il vous prend la curiosité de lire ce livre (ce que je vous recommande) prenez votre respiration et plongez-vous dans le dernier chapitre « GÉNÉALOGIE DE LA MATIÈRE » : une anthologie thermonucléaire qui donne littéralement le vertige ! ! !