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Le soleil, portrait croqué

Lever du soleil. PublicDomainPictures/Pixabay

Le soleil, portrait croqué

Nous le voyons se lever tous les matins, mais malgré sa luminosité aveuglante, nous le remarquons à peine au quotidien. Finalement, que savons-nous de notre Soleil ?

Depuis les Grecs, nous savons qu’il est très loin de nous et donc énorme. La science moderne nous le précise : distant d’à peu près 150 millions de kilomètres, son diamètre est d’environ 1,4 million de kilomètres.

Système solaire. shutterstock

Pour appréhender ces tailles surhumaines, on peut remarquer que son diamètre est approximativement un centième de la distance Terre-Soleil. Et pour nous ramener encore plus à notre bonne vieille Terre, sachant que le diamètre de celle-ci est d’environ 12 000 km, on remarque encore un facteur 100 entre l’ordre de grandeur du diamètre du Soleil et celui de notre planète.

Vu sa luminosité, nous pouvons nous douter qu’en plus d’être immense, il est aussi très chaud. En effet : un peu moins de 5 780 Kelvin (soit environ 5 500 degrés Celsius) en surface et… 15 millions de degrés au centre ! Une fois de plus des grandeurs surhumaines.

Depuis le début du 20e siècle, nous savons enfin d’où il tire cette formidable énergie : la fusion thermonucléaire. Quatre noyaux d’hydrogène (donc des protons) fusionnent en un noyau d’hélium tout en libérant de l’énergie sous forme de particules de lumière : des photons. Cet adjectif, thermonucléaire, porte une dimension terrifiante : c’est aussi sur cette fusion que repose le principe de la bombe H (comme Hydrogène).

Affiche du soleil. Kelvinsong/Wikipedia, CC BY-SA

Pourquoi cette fusion destructrice sur Terre ne l’est-elle pas dans le Soleil ? La raison est qu’elle est, toute proportion gardée, beaucoup plus lente. Une bombe H explose, c’est-à-dire qu’elle libère toute l’énergie disponible en un laps de temps très court. Dans le cas du Soleil, le rythme des réactions nucléaires est contenu. La libération d’énergie est beaucoup plus lente, tellement lente que le Soleil pourra briller au total 9 milliards d’années grâce à cette fusion, avant que la source d’énergie ne se tarisse.

Et comment le Soleil s’y prend-il pour brûler à petit feu ? C’est grâce à sa masse, énorme elle aussi (2 1030 kg), qu’il contient la puissance nucléaire. En effet, les deux forces s’opposent : au cœur du Soleil, la machine nucléaire fait monter température et pression, et pousse donc vers l’extérieur, mais la masse du Soleil tout autour pousse vers l’intérieur sous l’effet de sa propre gravité. Et ce système est parfaitement au point : la preuve, il fonctionne depuis déjà 4 milliards et demi d’années ! Si la machine nucléaire faiblissait, la gravité comprimerait le cœur encore plus. Cela aurait pour effet de faire monter la température. Les réactions nucléaires sont d’autant plus efficaces que la température est élevée. Donc si la température monte, la production d’énergie augmente et exerce une pression plus grande vers l’extérieur, qui vient contrebalancer l’augmentation de compression due à la gravité. Inversement, si la machine nucléaire s’emballait, la poussée vers l’extérieur entraînerait une dilatation du cœur, ce qui ferait baisser la température et donc l’efficacité des réactions nucléaires. Le système s’équilibre ainsi depuis… la nuit des temps (plus précisément depuis la formation du Soleil).

Cet équilibre entre effets de la gravité et production d’énergie nucléaire est à l’œuvre dans toutes les étoiles, notre Soleil comme les autres. Et quand le carburant (l’hydrogène) vient à manquer, le processus de fin de vie de l’étoile s’enclenche pour donner une géante rouge, puis une naine blanche, ou une étoile à neutron voire un trou noir (mais c’est une autre histoire).

Revenons à notre Soleil d’aujourd’hui, en pleine forme, qui fait mijoter son hydrogène sous le formidable couvercle de sa propre masse. Cette combustion d’hydrogène n’a pas lieu en tous points du Soleil mais seulement dans le noyau qui s’étend sur environ un tiers du rayon de l’étoile, là ou température et pression sont très élevées. Au delà, les conditions de température et de pression ne sont plus suffisantes pour que les réactions nucléaires aient lieu.

Mais s’il n’y a pas production d’énergie, il faut tout de même évacuer l’énergie du cœur vers l’extérieur, faute de quoi elle s’accumulerait indéfiniment au cœur (jusqu’à d’explosives conséquences). Ce sont les photons, ces particules de lumière, qui se fraient un chemin vers l’extérieur et transportent l’énergie (sous forme lumineuse donc – on parlera de transport radiatif). Et l’énergie va atteindre grâce à cela les deux tiers de la distance entre le centre et la surface du Soleil.

Les photons avaient déjà des difficultés à cheminer entre les particules du plasma (c’est-à-dire un gaz de particules ionisées, électriquement chargées) qui constitue l’intérieur du Soleil, mais arrivés là, ils ne passent plus. Ils ont perdu de l’énergie en chemin et pour ne rien arranger, le plasma solaire devient opaque, infranchissable.

Un autre mécanisme se met alors en place : puisque le plasma empêche les photons de passer, c’est lui qui va se mettre en mouvement et transporter ainsi l’énergie vers l’extérieur. Des bulles de plasma chauffent, se dilatent : cela signifie que leur densité devient plus faible que leur entourage. Étant alors plus légères, ces bulles montent vers le haut. Comme l’eau chaude au fond d’une casserole monte vers le haut. C’est le même principe : la convection (on parle donc de transport convectif).

Ainsi l’énergie produite au cœur parcourt le dernier tiers de la distance entre cœur et surface. Les photons arrivent enfin à cette surface et là, plus rien ne s’oppose à leur envol dans l’espace interplanétaire. Ils y voyageront à leur vitesse préférée, celle de la lumière, 300 000 km par seconde. Ce qui leur permettra d’atteindre notre planète en 8 minutes pour venir nous y réchauffer.

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