Astronomie et astrophysique - Le Soleil

Astronomie et astrophysique - 203-3UV-GG

• Semaine 11 : Le Soleil (suite)
• Le Soleil : l'étoile au centre du système solaire, une boule de plasma en équilibre hydrostatique. La gravité tend à la comprimer, tandis que la pression tend à l'expansion.
• Masse : 2,00 x 10³⁰ kg (~300 000 fois celle de la Terre).
• Proportion de la masse du système solaire : 99,85%
• Diamètre : 1,4 × 10⁹ m (~3,6 fois la distance Terre-Lune)
• Luminosité : source d'énergie la plus importante du système solaire, 3,82 × 10²⁶ J/s.
• Source d'énergie : réactions nucléaires de fusion en son centre.

La chaîne proton-proton

• Le Soleil fusionne l'hydrogène pour former de l'hélium.
• Mécanismes : chaîne proton-proton et cycle du carbone.
• Chaîne proton-proton :
  • Deux protons fusionnent pour former un noyau de deutérium, un positron, un neutrino et 0,42 MeV d'énergie.
  • Un noyau de deutérium et un proton fusionnent pour former un noyau d'hélium-3, un photon gamma et 5,49 MeV.
  • Finalement, deux noyaux d'hélium-3 fusionnent en hélium-4, libérant deux protons et 12,86 MeV.

Le cycle du carbone (CNO)

• Catalyseur : utilise un atome de carbone.
• Fusion : un noyau de carbone-12 fusionne avec un proton pour former un noyau d'azote-13, libérant un photon gamma et 1,95 MeV.
• Désintégration : Le noyau d'azote-13 se désintègre pour former un noyau de carbone-13, libérant un positron, un neutrino et 2,22 MeV d'énergie.
• Fusion de carbone-13 et proton : forment l'azote-14, un photon gamma et 7,54 MeV.
• Fusion d'azote-14 et proton : forment de l'oxygène-15 et un photon gamma et 7,35 MeV.
• Désintégration de l'oxygène-15 : se désintègre en azote-15, libérant un positron, un neutrino et 2,75 MeV.
• Fusion d'azote-15 et proton : produit de l'hélium-4 et un noyau de carbone-12 libérant 4,96 MeV.
• Plus rapide que la chaîne proton-proton, mais nécessite une température plus élevée.

Luminosité du Soleil

• Évacuation presque totale de l'énergie sous forme de radiation.
• La luminosité (L) est l'énergie évacuée chaque seconde et répartie uniformément sur toute sa surface.
• L = I * 4π d² = 3,82 × 10²⁶ J/s (avec I intensité mesurée sur Terre et d distance)

Durée de vie du Soleil

• Consommation de 4 protons pour générer 4,28 × 10⁻¹² J d'énergie.
• Le potentiel d'énergie d'un kilogramme d'hydrogène est de 6,44 x 10¹⁴ J.
• Le cœur du Soleil contient 35% d'hydrogène et 18,7 milliards d'années pour le consommer.
• Prévision de 10 milliards d'années restantes.

Structure interne du Soleil

• Noyau: lieu des réactions nucléaires, région la plus dense, environ 7 MK à 15 MK.
• Zone radiative : jusqu'à 72% du rayon solaire. Transport d'énergie par radiation. Photons mettraient 200 000 ans à traverser.
• Zone convective : matière absorbant la radiation et se réchauffant. Convection pour transporter l'énergie vers la surface (granulation).

La photosphère

• Limite entre l'intérieur et l'atmosphère du Soleil.
• Surface visible et absorbant/émettant la lumière solaire.
• Température de 5800 K et épaisseur d'environ 400 km.
• Présence de taches solaires (régions plus froides, moins lumineuses)

La chromosphère

• Région au-dessus de la photosphère.
• Épaisseur allant jusqu'à 2000 km.
• Température qui augmente de 4000 à 100 000 K.
• L'hydrogène émet de la lumière rouge (nécessite filtre Ha).
• Présence de protubérances (structures formées de particules chargées).

La couronne

• Région externe de l'atmosphère solaire, sans limite définie.
• Gaz chaud (électrons, protons, hélium ionisés) qui se dégage sous forme de vents solaires.

Le modèle théorique du Soleil

• Deux forces en jeu (pression des réactions nucléaires et pression gravitationnelle).
• Le Soleil divisé en couches, analyse de l'évolution de la pression.
• Utilisation de la loi des gaz parfaits pour déterminer la densité et la température.

Héliosismologie

• Étude de l'intérieur du Soleil à travers l'observation des vibrations de sa surface.
• Découverte et analyse de zones oscillantes d'environ 10 000 km de diamètre.
• Détermination de la température centrale du Soleil (15,56 MK) grâce à l'effet Doppler.

La détection des neutrinos

• Les neutrinos sont produits au centre du Soleil comme particules neutres et peu massives.
• Interaction faible avec la matière, traversant facilement le Soleil.
• Détection permet d'étudier le cœur du Soleil (temps traversée 2 secondes).

Ce quiz porte sur les caractéristiques et les mécanismes du Soleil, l'étoile centrale de notre système solaire. Il explore sa masse, son diamètre, sa luminosité et les processus de fusion nucléaire, notamment la chaîne proton-proton. Testez vos connaissances sur cette source d'énergie essentielle.