Noyau solaire

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Diagramme représentant le Soleil et ses différentes couches
 · 1. Noyau
 · 2. Zone de radiation (en)
 · 3. Zone de convection
 · 4. Photosphère
 · 5. Chromosphère
 · 6. Couronne
 · 7. Taches solaires
 · 8. Granules
 · 9. Éruption solaire

Le noyau solaire est la partie centrale du Soleil s'étendant du centre jusqu'à environ 20 à 25 % du rayon solaire et qui constitue approximativement 10 % de la masse du Soleil[1]. Sa température s'approche de 15 000 000 K, ce qui est la température la plus chaude du système solaire. Cette haute température est causée par la fusion nucléaire de l'hydrogène, qui a pour effet la création subséquente d'hélium et la libération de lumière visible à la surface.

Le cœur est constitué de gaz chauds et denses dans un état plasmique. Le noyau, du centre jusqu'à 0,24 rayon solaire, génère environ 99 % de la puissance de fusion du Soleil.

Caractéristiques physiques[modifier | modifier le code]

Comparaison des atomes d'hydrogène et d'hélium.

La température au centre du Soleil atteindrait environ 15 000 000 K. En comparaison, la surface atteint environ 6 000 K[2]. Représentant environ 10 % de la masse solaire (M), la masse volumique du noyau solaire s'élève jusqu'à 150 g/cm3, soit environ 150 fois celle de l'eau.

Contrairement au reste de l'étoile, le noyau est principalement composé d'hélium. En effet, ce dernier constitue environ 64 % de sa masse totale[2],[3], alors que l'hydrogène, qui est abondant en surface et constitue environ 70 % de la masse des couches externes, ne constitue qu'environ 34 % de la masse du noyau[3]. Les 2 % massiques restant sont constitués, entre autres, de carbone, d'azote et d'oxygène, qui interviennent dans le cycle carbone-azote-oxygène (CNO)[4].

Réactions nucléaires[modifier | modifier le code]

Le noyau solaire est responsable de la majorité de l'énergie émise par le Soleil. En effet, celui-ci émet à chaque seconde environ 3,9x1026 joules, que l'on peut convertir, grâce à l'équation E=mc2, à une masse d'environ 4,3x109 kg qui se transforme à chaque seconde en énergie, et ce, grâce aux différentes réactions nucléaires[5]. C'est également le noyau qui fournit la plupart de la chaleur que le Soleil produit. Ces réactions transforment l'hydrogène en hélium dans le Soleil, et ce, par fusion nucléaire. Lors de cette réaction fusionnelle, une infime fraction de la masse perdue des atomes d'hydrogène est transformée en neutrinos, et le reste du défaut de masse devient de l'énergie pure, tel qu'énoncé ci-dessus.

Chaîne proton-proton[modifier | modifier le code]

Mécanisme de la chaîne proton-proton.
Article détaillé : Chaîne proton-proton.

La réaction de fusion nucléaire nécessitant le moins d'énergie, et de ce fait la plus facile, est la chaîne proton-proton. Elle se produit aux environs de 1,5x107 K, température à laquelle les électrons sont détachés des noyaux et où la force nucléaire forte peut être supérieure à la force de répulsion électromagnétique de ces noyaux [6]. L'énergie libérée par la fusion de 4 atomes d'hydrogène est de 26,7 millions d'électrons-volt (MeV)[7]. Ce type de fusion nucléaire se produit en 3 étapes, tel que démontré dans les équations ci-dessous[7],[8],[9] :

Cette séquence est la principale voie de la chaîne proton-proton (PP1), majoritaire à 69 %. Il y a également deux autres voies possibles de réaction dans la chaîne proton-proton (PP2 et PP3), qui représentent 31 % et 0,3 % des réactions[10].

Cycle Carbone-Azote-Oxygène (CNO)[modifier | modifier le code]

Mécanisme de la chaîne carbone-azote-oxygène.
Article détaillé : Cycle carbone-azote-oxygène.

Le cycle carbone-azote-oxygène est la principale source d'énergie des étoiles ayant une masse de 1,5 M. Cependant, le cycle CNO est également présent dans le noyau solaire et produit moins de 10 % de l'énergie totale émise par le Soleil [4]. Dans cette chaîne complexe, 4 atomes d'hydrogène sont convertis en un atome d'hélium, alors qu'une fraction de la masse est transformée en énergie selon l'équation E=mc2. Le cycle CNO nécessite une température d'au moins 20 millions de Kelvin pour obtenir un rendement significatif[11].

Transfert d'énergie[modifier | modifier le code]

Schéma du trajet d'un photon dans le Soleil.

Le transfert d'énergie provenant du noyau solaire consiste au déplacement des photons à hautes énergie, soit en rayons gamma, du noyau vers les couches externes du Soleil, jusqu'à quitter celui-ci. En effet, lorsqu'un photon provenant de l'une des réactions nucléaires est produit, celui-ci est absorbé par l'un des atomes, pour ensuite être émis par la suite par cet atome. Le photon qui parvient à la Terre n'est donc pas celui provenant directement de l'activité solaire. Lorsque le photon passe dans la zone radiative (en), son énergie diminue grandement, dû aux multiples collisions dans cette zone, et devient du rayonnement X et ultraviolet. Par la suite, le rayonnement passe au travers la zone de convection et, finalement, par delà la photosphère. Ce trajet, du noyau à la surface du Soleil, nécessite entre 10 000 et 170 000 ans, tandis que de la surface du Soleil à la Terre, le temps n'est que d'environ 8 minutes[12],[13], [14].

Équilibre hydrostatique[modifier | modifier le code]

L'activité du noyau solaire permet de maintenir le Soleil en équilibre hydrostatique, ce qui le rend stable en taille et en température. En effet, les étoiles de la séquence principale du diagramme de Hertzsprung-Russell, telles que le Soleil, sont maintenues en équilibre hydrostatique par l'équilibre entre la force exercée vers le centre de l'étoile par la gravité et les pressions radiative et thermale produites par les réactions de fusion nucléaire se produisant au cœur de l'étoile.

Le taux de réactions nucléaires est très sensible aux variations de température. Ainsi, si la température de l'étoile augmente légèrement, le taux de fusion nucléaire augmente drastiquement et, à l'inverse, si la température diminue légèrement, le taux de fusion diminue de façon très rapide. Si le taux de réactions nucléaires diminue, la gravité compresse le noyau. Alors, la température augmente et cette augmentation entraine une hausse du taux de fusion nucléaire [15]. Le rayon du noyau garde donc toujours une dimension sensiblement constante.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. (en) Nick Strobel, « The Sun and Stellar Structure », sur site internet du College de Bakersfield, (consulté le 3 mai 2017)
  2. a et b (en) Jørgen Christensen-Dalsgaard, Frank P. Pijpers, Thomas H. Dall, Hans Kjeldsen et Regner Trampedach, « Results of solar model calculations », (consulté le 15 mars 2017)
  3. a et b Pierre Lantos, Soleil, Encyclopædia Universalis (lire en ligne), chap. 1 (« Structure interne »)
  4. a et b Séguin et Villeneuve 2001, p. 228-229.
  5. Séguin et Villeneuve 2001, p. 226.
  6. (en) J. Ybarra, « Ast 4 Lecture 12 Notes », sur University of Sacramento, (consulté le 5 avril 2017)
  7. a et b (en) « The Source of Solar Energy », sur Site du gouvernement australien (consulté le 5 avril 2017)
  8. (en) « The Proton-Proton Chain », sur Site de l'université de Rochester (consulté le 12 avril 2017)
  9. (en) Edwin E. Salpeter, « The Reaction Rate of the Proton-Proton Chain. », The Astrophysical Journal, vol. 116,‎ , p. 649 (ISSN 0004-637X, DOI 10.1086/145656)
  10. (en) Chris Mihos, « The Proton-Proton Chain », sur Case Western Reserve University, (consulté le 26 avril 2017)
  11. « Compendium du système solaire - Le Soleil », sur Luxorion (consulté le 19 avril 2017)
  12. (en) « The 8-minute travel time to Earth by sunlight hides a thousand-year journey that actually began in the core. »
  13. (en) Avery Thompson, « Futurism - A Photon’s Million-Year Journey From the Center of the Sun », sur Futurism, (consulté le 19 avril 2017)
  14. (en) Mitalas, R. & Sills, K. R, « On the photon diffusion time scale for the sun », sur The SAO/NASA Astrophysics Data System, (consulté le 26 avril 2017)
  15. (en) « The Sun and Stellar Structure » (consulté le 19 avril 2017)

Bibliographie[modifier | modifier le code]

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