Problème du jour (1) : Mais d'où vient le rayonnement du corps noir ? 5


Le corps noir est un objet théorique dont le rayonnement électromagnétique ne dépend que de sa température. Pour plus d'informations, vous pouvez lire mon article sur le corps noir.  La première personne à avoir utilisé la notion de corps noir est Gustav Kirchhoff en 1862 qui a consacré une bonne partie de sa vie à l'étude spectroscopique de la lumière.

On modélise souvent un corps noir comme un trou dans une cavité à l'équilibre thermodynamique. La lumière y entre et y reste coincée pour l'éternité. La conséquence est que la cavité chauffe et finit par émettre un rayonnement qui est uniquement du à la température et qui correspond au spectre du corps noir.

modele-corps-noir

Ce schéma représente le modèle théorique du corps noir. Les parois de la cavité sont à l'équilibre thermodynamique et cette cavité est infiniment grande. Tous les photons qui y entrent y restent coincés pour une durée infinie.

Le rayonnement du corps noir possède une origine statistique. Il existe de nombreux objets dans l'univers dont le rayonnement s'apparente à celui d'un corps noir. On retrouve le fond diffus cosmologique qui correspond à un corps noir pratiquement parfait dont la température est portée à 2.7 Kelvins ainsi que les étoiles.

CMB_planck_2013_03_21

Photo du rayonnement du fond diffus cosmologique (CMB : Cosmic Microvawe Background) prise par le satellite Planck en 2013. La décomposition spectrale du rayonnement du CMB s'ajuste parfaitement au modèle du corps noir.

Mais ce qui m'intéresse le plus ici, ce sont les étoiles. Nous savons qu'elles sont constituées à plus de 90% d'hydrogène sous différentes formes. Le dihydrogène lorsqu'il est chauffé à haute température émet un spectre électromagnétique de la forme suivante :

raies-balmer

Spectre d'émission du dihydrogène dans le visible (400-700nm). La température du corps noir associée va de 4100 K à 7200 K. La température de surface du soleil est incluse dans cet intervalle.

Le spectre d'émission de l'hydrogène n'a absolument rien à voir avec le spectre du corps noir qui a la forme suivante.

spectre

Courbes représentant le rayonnement du corps noir à différentes températures. On constate que ce rayonnement est continu et non pas discret comme le spectre d'émission d'un gaz chauffé.

Et si on regarde le spectre électromagnétique d'une étoile assez jeune comme le Soleil par exemple on obtient ceci :

13728_droppedImage

La ressemblance avec le spectre d'un corps noir est frappante. Les différents creux que l'on observe sont en fait des raies d'absorption qui viennent du fait que du gaz un peu plus froid que l'étoile vient absorber la lumière suivant son spectre d'émission. C'est par ailleurs comme ça que l'on a découvert l'existence de l'hélium (qui vient du mot hélios qui signifie Soleil).

La ressemblance est assez frappante avec le spectre du corps noir. Une étoile semble donc être presque un corps noir. Mais un problème subsiste.

Si celle-ci est composée à plus de 90% d'hydrogène, pourquoi son spectre n'a rien à voir avec le spectre d'émission du dihydrogène ?

Le problème est ouvert, à vous de jouer dans les commentaires ! J'afficherai dans l'article la meilleure réponse 😉


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.


Laissez un commentaire

Votre adresse de messagerie ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *

5 commentaires sur “Problème du jour (1) : Mais d'où vient le rayonnement du corps noir ?

  • bongo

    Le soleil est composé d'hydrogène atomique en surface (5700 K), mais... entre le coeur du soleil et la surface et bien il y a de la matière ionisée ?
    Est-ce que les électrons et protons peuvent émettre de la lumière "thermalisée" ?

    • Loann Brahimi Auteur du billet

      En effet, le Soleil est composée de matière ionisée en grande quantité.

      En première approximation, évidement que les électrons et les protons peuvent émettre de la lumière "thermalisée". Cela signifie simplement que la matière qui compose le Soleil est à l'équilibre thermodynamique, c'est à dire que les fermions (protons + électrons) suivent la statistique de Fermi-Dirac et les photons suivent la statistique de Bose-Einstein qui est directement liée à la loi de Planck du rayonnement thermique.
      Mais il existe de nombreux effets non-linéaires dus au fait que l'approximation d'équilibre thermodynamique n'est pas une approximation parfaite.

      En physique on représente "l'approximation thermodynamique" par un libre parcours moyen (distance parcourue entre deux interactions) des photons nul, or on sait en pratique que ce n'est pas le cas : c'est quand même plus vrai au centre qu'à la surface du soleil car la densité de matière y est plus importante. C'est la raison pour laquelle le spectre de rayonnement du Soleil n'est pas exactement superposé à un spectre de corps noir.

      En conséquence, les écarts du spectre du Soleil au spectre de rayonnement d'un corps noir sont principalement dus à des effets de surface comme de la diffusion Rayleigh, de l'absorption (raies), de la convection, du champ magnétique etc ... .

      • bongo

        Merci pour ce complément.
        J'ai lu la question posée, et les commentaires, et je me disais que personne n'avait donné de réponses. Alors j'ai hasardé une réponse, qui semble être la bonne ?

        En tout cas le blog est très intéressant, j'ai vu plusieurs sujets qui m'intéressent, alors je reposterai probablement.