Le corps noir 2


Si je vous demande ce qu'est un corps noir, vous me répondrez peut être que c'est un objet de couleur noir comme il en existe au quotidien autour de nous. Et bien c'est un peu plus compliqué que ça, si vous avez quelques notions de physique, vous le savez probablement.

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J'ai décidé de vous parler de corps noirs car je trouve que c'est un modèle théorique très intéressant dont on trouve de nombreuses applications notamment en Astrophysique, mais dans beaucoup d'autres domaines également.

Qu'est ce donc qu'un corps noir ?

Wikipédia nous donne la définition suivante :

En Physique, un corps noir désigne un objet idéal dont le spectre électromagnétique ne dépend que de la température

Si vous êtes amateurs ou avancé en physique, le terme spectre électromagnétique vous dit surement quelque chose. S'il ne dit rien, je vous l'explique :

Le spectre électromagnétique c'est simplement un graphe qui décrit l'évolution de l'intensité lumineuse du corps en fonction de la longueur d'onde (ou de la couleur). Ce spectre comprend plusieurs catégories de longueurs d'onde : Les ondes radio, les ondes infrarouges, les couleurs que nous connaissons allant du rouge foncé au violet, les ultraviolets, les rayons X et pour finir les rayons gamma.

En gros, le spectre électromagnétique d'un objet nous donne la quantité de lumière provenant de chaque catégorie de longueurs d'onde citée au dessus.

Reprenons notre citation de Wikipédia...

Un objet idéal dont le spectre électromagnétique ne dépend que de sa température signifie qu'il s'agit d'un corps théorique dont la seule lumière émise dépend de sa température.

Lorsque vous regardez les objets qui vous entourent, vous constatez qu'ils n'émettent pas de lumière, mais que vous pouvez quand même les voir. Ce ne sont donc pas des corps noirs...

Une définition correcte du corps noir

Tout objet de l'univers possède les caractéristiques suivantes :

  • Il émet de la lumière due à sa température propre
  • Il réfléchit de la lumière de l'extérieur un peu comme un miroir
  • Il absorbe la lumière provenant de l'extérieur qui contribue au maintient de sa température

Cet objet est appelé Corps Gris. La seule différence avec le corps noir est qu'il réfléchit la lumière alors que le corps noir absorbe absolument tous les rayons incidents.

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Le corps gris est défini par le flux incident, le flux réfléchi, le flux absorbé, le flux émis et le flux transmis qui caractérise la "transparence" du corps; il n'intervient pas dans la température de celui-ci.

Pour résumer, le corps noir possède les caractéristiques suivantes :

  • Il émet de la lumière due à sa température propre
  • Il absorbe la lumière provenant de l'extérieur qui contribue au maintient de sa température

Mais cette définition ne suffit pas à caractériser un corps noir de manière exacte; le corps noir doit également répondre à la loi de Planck ci-dessous.

planck2Ces courbes sont simplement la transcription mathématique de la définition proposée par Wikipédia. On y voit, pour chaque température l'évolution de l'intensité lumineuse émise en fonction de la longueur d'onde (On peut aussi parler de quantité de photons émis par unité de surface ou flux lumineux).

Dans certaines conditions, il est possible d'approximer un corps gris à un corps noir car sinon, cette loi serait inutile.

Si l'intensité lumineuse émise est élevée devant l'intensité lumineuse réfléchie de celui-ci, alors on peut parler de corps noir.

Quelques exemples de corps noirs 

Une lampe à filament allumée approche le modèle du corps noir. Son spectre électromagnétique suit de près la courbe donnée par la loi de Planck. Si l'on reporte la courbe expérimentale sur le modèle ci-dessus, nous pourrons en déduire sa température.

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Le soleil est aussi un corps noir, sa température de surface avoisinant les 6000 Kelvins (~5700 °C), nous pouvons aussi étudier sa courbe d'émissions électromagnétiques. Nous constatons qu'une bonne partie de son rayonnement est émis dans l'ultraviolet qui correspond à des photons très énergétiques donc dangereux pour nous, d'où l'intérêt de se protéger du soleil. La couche d'ozone fait déjà très bien ce travail en absorbant une bonne partie des rayons énergétiques.

This 26 October, 2003 NASA Solar and Heliospheric Observatory image shows a giant magnetic loop (R) filled with glowing-hot gas blasting away from the Sun. Two Jupiter size sunspots are crossing the face of the Sun at the same time and pose threats for X-class solar flares, major events that can trigger planet-wide radio blackouts and long-lasting radiation storms. AFP PHOTO/NASA

This 26 October, 2003 NASA Solar and Heliospheric Observatory image shows a giant magnetic loop (R) filled with glowing-hot gas blasting away from the Sun. Two Jupiter size sunspots are crossing the face of the Sun at the same time and pose threats for X-class solar flares, major events that can trigger planet-wide radio blackouts and long-lasting radiation storms. AFP PHOTO/NASA

Le fond diffus cosmologique .... J'en parlerai dans un prochain article.

Nous constatons aussi que plus la température du corps augmente, plus le spectre de celui-ci semble se décaler vers la gauche. Effectivement, plus la température d'un corps est élevée, plus les photons émis sont énergétiques.

Exemples d'études possibles grâce au modèle du corps noir

Le modèle du corps noir permet par exemple d'étudier la composition en éléments chimiques d'une étoile. Prenons le soleil par exemple.

440px-Sonne_Strahlungsintensitaet-fr.svgRegardons le rayonnement solaire extraterrestre. C'est le rayonnement observé depuis l'espace. Nous constatons qu'il ne correspond pas exactement au spectre du corps noir. Vous pourriez vous dire que c'est parce que le soleil réfléchit un peu de lumière venue d'ailleurs mais ceci est un phénomène dont l'influence est extrêmement faible au vu de la luminosité des sources lumineuses autour du soleil. Mais d'où peuvent donc venir ces différences ?

Le soleil est composé en majorité d'hydrogène et d'hélium (~99%) et 1% d'autres éléments allant jusqu'au néon à peu près. Chaque élément rayonne dans une ou plusieurs longueurs d'ondes précises, ce phénomène n'est pas évident à expliquer, il sera également sujet à un article. Le soleil est un mélange de tous ces éléments et donc rayonne dans toutes ces longueurs d'ondes auxquelles il faut ajouter les phénomènes d'équipartition de l'énergie et d'effet tunnel. Je sais que c'est compliqué mais vous jure que dès que je pourrai je ferai un article sur TOUS ces sujets là ! 😉 .

Il est donc normal que le spectre du soleil ne corresponde pas exactement à celui d'un corps noir parfait. Il y a aussi un second phénomène à prendre en compte. La lumière issue du soleil ne provient pas de TOUT le soleil (Puis que j'y suis, je ferai également un article sur le fonctionnement d'une étoile 🙂 - J'ai du boulot ! ), les couches externes de l'étoile ne sont pas assez chaudes pour rayonner, elles absorbent donc les rayons provenant des couches plus chaudes. Ce qui fait que certains rayons ne peuvent pas aller dans l'espace.

En étudiant la différence entre le spectre du soleil et le spectre du corps noir idéal, on peut en déduire la composition chimique du soleil. En effectuant la même analyse depuis la surface terrestre, on peut aussi en déduire précisément la composition chimique de l'atmosphère terrestre.

En conclusion

Le modèle du corps noir nous donne des renseignements précieux sur sa température, sa composition chimique et de manière plus poussée nous permet d'étudier les étoiles qui composent le ciel, les classer par catégories, retracer leur évolution et même déterminer leur distance à la Terre.

Le corps noir est un modèle mis au point par Gustav Kirchhof en 1862 d'abord puis Max Planck quelques années plus tard. Il eu une importance capitale dans la mise en place de la théorie quantique puisque ce modèle a permis de montrer que la lumière est composée de quanta lumineux appelés photons ayant une énergie bien définie et quantifiée et non continue.

La physique qui découle du corps noir est extrêmement vaste, vous l'avez surement remarqué. Vous m'excuserez si je suis parti un peu loin dans mes explications, discuter du modèle du corps noir sans discuter de raies spectrales, d’interactions électrons-photons et de distribution de Maxwell des vitesses à l'équilibre thermodynamique n'est pas une mince affaire, je tâcherai tout de même de vous expliquer tout ça à l'avenir.

Si cet article vous a intéressé, je vous invite à vous renseigner plus amplement sur internet ou à attendre un prochain article ;). En attendant, "likez" et partagez cet article pour participer à la diffusion du savoir ! 😀

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A propos Loann Brahimi

Je suis étudiant en Master Cosmos, Champs et Particules à l'université de Montpellier. Ce blog est une manière de transmettre ma passion, une façon d'aider ceux qui voudraient faire de la physique leur gagne pain et de créer un engouement autour de cette science mal comprise.


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2 commentaires sur “Le corps noir

  • F. Baudin

    Attention, vous illustrez votre propos dans le cas du Soleil avec une image prise en extrême UV, donc en fausses couleurs. De plus, le plasma à l'origine de ce rayonnement ne suit pas le corps noir.

    • Loann Brahimi Auteur du billet

      C'est vrai que j'aurais pu choisir une image dans une bande qui suit "mieux" le rayonnement du corps noir. Mais bon, ici je ne cherche pas à être trop précis. Le problème que je pose consiste juste à comprendre d'où vient la différence entre le spectre d'une lampe à hydrogène par exemple et celui d'une étoile.