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

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.

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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.

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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 :

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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.

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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 :

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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 😉

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

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