De la naissance des étoiles

ChiCyg · 16 juillet 2007

Premièrement, le transport d'énergie vers l'extérieur se fait surtout par rayonnement si l'opacité est faible et surtout par convection si l'opacité est forte. Donc, il y a transfert de chaleur même si l'opacité est forte. Si on compare à ce qui se passe dans les étoiles froides (autour de 3000K) la convection peut assurer 98 % du transfert de chaleur. Même si ces atmosphères étaient complètement opaques au rayonnement, ça ne changerait pas grand chose.

Deuxièmement, une molécule émet un photon quand elle change de niveau d'énergie et que le nouveau niveau est plus "bas" que l'ancien, mais elle en absorbe dans le cas contraire. (Pour les molécules la plupart des transitions ont lieu entre différents états de rotation et/ou de vibration). Dans un milieu suffisamment dense (comme une atmosphère stellaire - même de géante), les transitions provoquées par des collisions sont plus nombreuses que celles provoquées par des émissions ou absorptions de photons. A l'équilibre thermodynamique, les différents niveaux d'énergie sont peuplés en fonction de la température. Si la température augmente, les collisions sont plus violentes et les niveaux d'énergie élevées sont deplus en plus peuplés.

Quand on va vers l'extérieur, la température baisse, une molécule externe a (en moyenne) un niveau d'énergie plus faible, elle est donc prête à absorber des photons émis par les molécules internes plus chaudes. Si elle revient, à la suite de l'absorption, à son état précédent, elle émettra un photon identique, elle sera donc "transparente". Mais, avant d'émettre ce photon, elle pourra subir une collision qui la ramènera à un état d'énergie inférieur. Le bilan sera donc bien l'absorption d'un photon dont l'énergie sera absorbée par une collision, donc contribuera à augmenter la température locale.

Les molécules jouent donc le rôle d'absorbant et freinent le transfert par rayonnement. C'est d'ailleurs la même chose pour tous les atomes, simplement, les molécules, possèdent beaucoup plus de niveaux d'énergie qu'un atome et ont plus de chance "d'attraper" un photon !

quetzalcoatl · 17 juillet 2007

Bonjour,

C’est chic ChiC’ de te donner la peine de m’expliquer le mécanisme.

Ce d’autant que tu le fais assez clairement pour que je te comprennes et qu’il ne soit besoin d’en passer par des équations (Ouf !).

Même si tu reprends des éléments déjà exposés par Arthur’dans le troisième message de ce sujet, tu y apportes ton obole et me donne à mieux appréhender la globalité du phénomène.

Sur le fond de ce que tu avances je n’ai rien à contester, en considérant aussi que l’état de mes connaissances ne me le permettrait sans doute pas.

Quelques remarques d’ordre général, cependant.

Le « en gros », deuxième phrase de l’extrait que tu cites dans ta première intervention laisse à penser que l’explication donnée dans l’article reste « grossière » ou disons schématique.

Mais ton approche paraît contredire le fondement même de l’argumentation.

Pardon d’insister sur ce point mais, pour la part de refroidissement du nuage imputable au rayonnement, es-ce que celui-ci s’effectue aussi efficacement quelque soit la longueur d’onde considérée ?

En d’autres terme la présence de la mollécule O2 ne favoriserait-elle pas la baisse de T° s’associant ainsi à celle engendrée par convection ?...

ChiCyg · 18 juillet 2007

Je n’arrive pas à proposer une réponse claire : dans une atmosphère plusieurs mécanismes sont en concurrence et interfèrent les uns sur les autres : les collisions (principalement dus aux électrons plus rapides), les changements de niveaux d’énergie des atomes et molécules, les modifications chimiques (ionisation, recombinaison, formation / destruction de molécules), les mouvements convectifs, tous ces phénomènes physiques dépendent de la température et de la pression.

Quelques points :

- un gradient de température va provoquer un flux de rayonnement d’autant plus important que l’opacité sera faible,

- si le rayonnement ne réduit pas suffisamment le gradient, en présence de gravité, de la convection va apparaître,

- à l’extérieur de l’atmosphère (où elle devient transparente) le transport d’énergie ne se fait que par rayonnement, mais là, si j’ose dire, les jeux sont faits,

- la présence d’opacifiants (en particulier de molécules) a tendance à freiner la perte d’énergie par rayonnement.

Dans tous les cas, le rayonnement qui sort n’est pas strictement celui du corps noir. En fait, dans les parties du spectre "transparentes" on voit le rayonnement du corps noir sous-jacent. Dans les raies (ou les bandes pour les molécules) on voit le corps noir de la couche où ces raies ou bandes se forment.

Je ne suis pas sûr que ma réponse soit claire. En tout état de cause, il me paraît faux d’affirmer qu’une molécule O2 ou autre permet à un nuage en cours de contraction de se refroidir.

quetzalcoatl · 19 juillet 2007

Bonjour,

Mais non ChiCo'!

Pas de fausse modestie!

Tu te débrouilles vraiment pas mal et ce que tu écris perçe même le blindage épais de mon esprit obtu. :be:

Donc, bien que pensant te comprendre, faute de pouvoir réfuter ton affirmation et par là même la faisant mienne, il ne me restera plus qu'à me demander pourquoi les scientifiques pensent le contraire ou, du moins, s'intéressent tant à la présence de cette mollécule?..

ArthurDent · 19 juillet 2007

En tout état de cause, il me paraît faux d’affirmer qu’une molécule O2 ou autre permet à un nuage en cours de contraction de se refroidir.

Je pense que l' idée est que la transparence du milieu dépends de la longueur d' onde, et donc que si un élément possède une raie d' émission pour laquelle le milieu est transparent, il participe au refroidissement (par rayonnement) ...

Mais bon ...

A+

--

Pascal.

quetzalcoatl · 31 juillet 2007

Bonsoir,

Peut-être bien ChiC'. Mais encore...?

On parle ici de rayonnement pour certaines mollécules, dont O2, dans des longueurs d'onde qui s'affranchissent de l'augmentation d'opacité du nuage...

De surcroît, nous n'avons pas fait encore l'inventaire complet de ces molécules.

http://perso.orange.fr/pgj/0707-nouvelles.htm#propylene

Merci à Kenaroh pour cette indirecte contribution.

http://www.futura-sciences.com/fr/sinformer/actualites/news/t/astronomie/d/record-de-taille-pour-un-anion-interstellaire_12481/

quetzalcoatl · 9 août 2007

Bonsoir,

Une étude des frateries stellaires, principalement grace à Spitzer...

http://perso.orange.fr/pgj/0807-nouvelles.htm#famille

ChiCyg · 21 août 2007

Je pense que l'idée est que la transparence du milieu dépends de la longueur d'onde, et donc que si un élément possède une raie d'émission pour laquelle le milieu est transparent, il participe au refroidissement (par rayonnement) ... Mais bon ...

ArthurDent, tu sais à quel point je suis désolé de te contredire ... Un élément possède des transitions électroniques qui peuvent (ou non) faire apparaître des raies d'émission ou d'absorption.

Il y a un cours complet de transfert radiatif malheureusement en anglais :

http://www.astro.uu.nl/~rutten/Astronomy_lecture.html

Si on ne veut pas tout lire , la figure 2.2 page 16 et de manière plus élaborée la figure 2.5 expliquent la formation des raies. I est l'intensité lumineuse sortante en fonction de la fréquence nu. S est le rayonnement du corps noir, tau la profondeur optique.

Dans la figure 2.5 les deux panneaux du haut comparent :

. à gauche, la situation classique d'une atmosphère stellaire où la température diminue à mesure que l'on s'approche de la surface, la transition apparaît en absorption,

. à droite, la situation où la température décroit avec la profondeur (comme par exemple dans la chromosphère solaire), la transition apparaît en émission.

Tout ça pour dire que dans le cas d'une étoile en formation les transitions apparaissent en absorption car la température croît avec la profondeur. Les transitions des molécules ou des atomes contribuent donc à augmenter l'opacité et donc à diminuer le flux sortant.

ArthurDent · 21 août 2007

Je comprends bien tes arguments. Merci pour le lien, je lirais ça tranquillement.

Cependant, il faut bien au final un mécanisme qui refroidisse le nuage protostellaire, sinon on voit mal comment il pourrait continuer à s' effondrer ...

Le rôle de O2 en tant que réfrigérant, semble être expliqué dans un article de Goldsmith & Langer si on en croit la base de citation ...

Goldsmith, P. F., & Langer, W. D. 1978, ApJ, 222, 881

l' article est accessible en ligne à cette url : http://adsabs.harvard.edu/abs/1978ApJ...222..881G

Ce rôle semble admis et considéré comme connu par tous (aucun rappel ni explication du mécanisme) par le papier à l' origine du sujet de Futura Science qui est repris dans ce fil ...

http://arxiv.org/abs/astro-ph/0702474

J' en sais pas plus. Perplexe je suis. Si c' était une erreur grossière, on peut penser que ça n' aurait pas été accepté par A&A ? Quoique, comme le papier porte sur la détermination de l' abondance, et non sur le mécanisme de refroidissement proprement dit ...

A+

--

Pascal.

quetzalcoatl · 21 août 2007

Bonsoir,

J'avoue humblement être un peu dépassé.

Je vous laisse débattre et échanger à vôtre aise tout en suivant vôtre duo avec l'espoir de pouvoir en tirer quelques profits.

Merci .

ArthurDent · 21 août 2007

Ah ben sur ce genre de sujet je suis vite largué aussi, remonter à l' origine du truc c' est facile, reste à (péniblement) essayer de piger ce qui est dit ....

Celà dit ChiCyg semble être à l' aise avec la thermodynamique , les transferts radiatifs et tous ces trucs là donc on il pourra sûrement éclairer notre chandelle ?

A+

--

Pascal.

ChiCyg · 22 août 2007

Cependant, il faut bien au final un mécanisme qui refroidisse le nuage protostellaire, sinon on voit mal comment il pourrait continuer à s'effondrer ...

Bien sûr, il rayonne comme un corps noir (aux raies d'absorption des molécules et des atomes près).

Le rôle de O2 en tant que réfrigérant, semble être expliqué dans un article de Goldsmith & Langer si on en croit la base de citation ...

Exact, mais c'est dans le cas d'un nuage interstellaire à basse température. On se retrouve alors dans le cas en haut à droite de la figure 2.2 que j'ai citée : le nuage est "optiquement mince" (c'est à dire transparent) et non éclairé de l'extérieur : les raies apparaissent en émission et contribuent au rayonnement donc au refroidissement.

Dans l'article, il est précisé que dans le cas "optiquement épais" c'est à dire opaque, le nuage rayonne comme un corps noir : "Lorsque l'opacité dans une transition particulière devient très supérieure à 1, le refroidissement doit être celle d'un corps noir, indépendamment de la taille et des densités moléculaires du nuage." ("Once the opacity in a particular transition is >>1, the cooling must be that of a blackbody, irrespective of the size and molecular densities of the cloud." IV.

Conclusion, le refroidissement par le rayonnement des molécules intervient dans des nuages interstellaires optiquement minces (transparents), mais n'intervient plus lorsque l'effondrement est suffisant pour que la proto-étoile devienne opaque.

J'avoue humblement être un peu dépassé.

Tu as tort, c'est une belle physique moins abstraite que la relativité ... il ne s'agit que de matière et de rayonnement avec des petits photons, électrons, atomes et molécules même pas relativistes

. Il est vrai que trop peu d'astronomes s'intéressent à ce domaine fondamental mais peu porteur

ArthurDent · 22 août 2007

Et ben voilà :

Donc, si je pige bien, la partie "effondrée" (donc dense, opaque) du nuage protostellaire rayonne comme un corps noir, mais tout le nuage ne se thermalise pas, parce qu' à une certaine distance du centre de gravité, il (re)devient transparent, et rayonne plus d' énergie qu' un corps noir à la même température, ce qui refroidit ces régions et favorise leur effondrement.

c' est ça ?

Tu as tort, c'est une belle physique moins abstraite que la relativité ... il ne s'agit que de matière et de rayonnement avec des petits photons, électrons, atomes et molécules même pas relativistes

mouais, moins abstraite, mais nettement plus compliquée. Et au final l' origine de tout ça n' est explicable que si on prends en compte le comportement quantique de la matière, ce qui est le summum de l' abstraction (à coté la RG est d' une simplicité enfantine).

Pas sûr qu' il y ait moins de monde à s' intéresser à l' astrophysique qu' à la relativité. Il me semble que les modèles de formation stellaire et galactiques sont loins d' être terminés, sans parler de la modélisation des étoiles en fin de vie (disons , à partir du stade AGB ). Seulement, pour "rentrer" dans le sujet, c' est loin d' être évident (ça manque d' article de niveau intermédiaire, entre la vulgarisation et le papier de recherche, je trouve).

A+

--

Pascal.

ChiCyg · 22 août 2007

Donc, si je pige bien, la partie "effondrée" (donc dense, opaque) du nuage protostellaire rayonne comme un corps noir,

Opaque mais pas forcément dense si cette couche est physiquement épaisse, et aux absorbants près qui réduisent le rayonnement.

mais tout le nuage ne se thermalise pas, parce qu'à une certaine distance du centre de gravité, il (re)devient transparent,

On s'en fout un peu parce que l'essentiel du flux vient de "dessous" et n'est donc pas bloqué : ce qui compte c'est le refroidissement du "coeur".

et rayonne plus d'énergie qu'un corps noir à la même température, ce qui refroidit ces régions et favorise leur effondrement.

Un corps noir transparent rayonne peu (proportionnellement à son opacité) et l'essentiel du flux lumineux provient du "dessous" - c'est ce qui conditionne la température de cette couche, sauf, si, comme dans le cas du soleil, il y a un autre mécanisme (magnétique ou hydrodynamique) pour chauffer cette couche.

ArthurDent · 22 août 2007

Bon, donc j' ai rien compris.

Je ne comprends pas comment concilier ta position:

La présence des molécules et de la poussière fait augmenter l'opacité, par là diminue le flux radiatif, ralentit donc le refroidissement et la contraction du nuage

avec ce que je crois comprendre de l' article de Goldsmith et Langer, qui prétendent exactement le contraire (i.e. que la présence de molécule augmente le flux radiatif, et donc accélère le refroidissement du nuage) :

We analyze in detail the cooling produced by line emission from a variety of molecular and atomic species, including those observed as well as theorically expected in dense interstellar clouds [ Nous analysons en détail le refroidissement produit par les raies d' émission d' un échantillon d' espèces moléculaires et atomiques, incluant celles observées ou théoriquement attendues dans les nuages interstellaires denses ]

S' ensuit un tas de trucs techniques qui montrent que ce phénomène n' est pas négligeable, et que sans mécanisme d' échauffement tous les nuages devraient s' effondrer.

Tu pourrais essayer de clarifier un peu ça ?

Merci.

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Pascal.

ChiCyg · 27 août 2007

Je ne comprends pas comment concilier ta position […] avec ce que je crois comprendre de l'article de Goldsmith et Langer

Quand le nuage interstellaire est encore transparent ("optiquement mince"), c’est-à-dire que les photons ont une probabilité importante de sortir du nuage sans être absorbé, l’intensité en émission des transitions est supérieure à celle du corps noir (ou plutôt "gris" qui est proportionnelle à l’opacité donc faible dans ce cas). S’il y a beaucoup de transitions disponibles (ce qui est le cas des molécules) la contribution au refroidissement dépasse celle du rayonnement "thermique". Goldsmith et Langer étudient ce cas (avec des températures de quelques dizaines de K). Ils trouvent que ça refroidit trop vite et ils cherchent ensuite une cause d’échauffement qui pourrait expliquer que le nuage ne s’effondre pas plus vite.

Mais dès que le nuage est suffisamment condensé, que son intérieur est optiquement épais : c’est à dire qu’un photon émis de l’intérieur a une probabilité faible de sortir sans être absorbé, le rayonnement est celui d’un corps noir à la température de la couche qui est "vue" de l’extérieur (la photosphère) et la contribution des transitions moléculaires ou atomiques est celle d’absorbants réduisant le flux radiatif sortant.

Conclusion, je me suis excité trop vite , au tout tout début de l’effondrement, quand le nuage est encore transparent et très froid, les molécules contribuent à dissiper l’échauffement créé par le début de contraction, mais ensuite, dès que le nuage devient opaque, la contribution des molécules est inversée, elle tend à réduire le refroidissement et donc à ralentir la contraction.

ArthurDent · 27 août 2007

Merci, cette fois je crois que j' ai pigé.

Un genre de phénomène d' amorce, qui ne joue plus quand la contraction devient "sérieuse", donc ?

A+

--

Pascal.

quetzalcoatl · 28 août 2007

Bonjour,

Merci à tous les deux.

Ces échanges paraissent apporter à chacun un nuancement dans le discours qui n'existait guère au début de celui-ci.

Bravo à Chic pour ses apports déteterminants et sa belle honnêteté.

Son dernier post est particulièrement éclairant sur le rôle et la limite de O2 dans le refroidissement d'un nuage interstellaire.

Félicitations à Arthur pour ses tenaces interrogations qui ont su bousculer un peu les certitudes trop simplement affirmées.

Une question encore:

Qu'es-ce qui ferait la spécificité de la molécule O2 sur le niveau d'émission de transitions par rapports à d'autres molécules présentes dans le nuage ???

C'est bien le rôle de O2 qui semble intéresser les scientifiques dans ce processus...

ChiCyg · 28 août 2007

Pour les atomes il n’y a qu’une sorte de transition : électronique qui correspond à un changement d’énergie d’un électron de l’atome. Les molécules ont des transitions électroniques mais, de plus, pour une même configuration électronique elles ont la liberté de vibrer et de tourner. Les transitions électroniques sont les plus énergétiques, elles se manifestent principalement dans le visible, les changements de niveau de vibration se manifestent plutôt dans l’infrarouge et les changements de niveau de rotation dans le domaine radio.

Pour qu’une molécule ait un rôle important d’absorption ou d’émission, il faut 1) qu’elle soit abondante, 2) qu’elle ait beaucoup de transitions dans le domaine de longueur d’onde correspondant à la température du milieu, et 3) que ses transitions aient une "force d’oscillateur" importante, c’est à dire une forte probabilité d’absorber ou d’émettre.

Chaque molécule a donc une signature particulière plus ou moins forte. Dans le spectre des étoiles froides le monoxyde de titane TiO présente des bandes particulièrement fortes dans le rouge alors qu’il n’est pourtant pas la molécule la plus abondante. L’oxygène moléculaire se manifeste dans l’atmosphère terrestre en absorbant les photons autour de 690 et 760 nm.

O2 n’a, je pense, pas un rôle prépondérant dans l’équilibre thermique du nuage, mais son étude, jointe à celle des autres molécules, permet de remonter aux conditions (température, densité, composition chimique) du nuage. Mais il y a beaucoup d'inconnues : l'équilibre chimique du nuage est-il atteint ? ou faut-il prendre en compte la dynamique chimique (vitesses des réactions) mal connues ? Le caractéristiques des spectres de beaucoup de molécules sont très mal connues : longueurs d’onde et "forces" des transitions, de même pour les probabilités de collision entre les atomes et molécules des différentes espèces (les "sections efficaces") et il faut tenir compte des photons qui peuvent s’ils sont suffisamment énergétiques "casser" les molécules ...

ArthurDent · 28 août 2007

Si on en croit l' article de G&L, le refroidissement moléculaire est dominé par différentes espèces, selon la température et la densité du nuage d' hydrogène:

Pour les densités faibles , et des températures entre 10 et 40K (brrrr, c' est froid), c' est le monoxyde de carbone qui est le plus efficace.

Quand la densité d' hydrogène est autour de 1 molécule tous les 3x10^4 cm cube, des espèces telles que l' oxygène O2, le carbone atomique, dominent. Quand la densité d' hydrogène s' accroit encore , les molécules d' eau, les molécules ionisées et les molécules diatomiques plus rares sont collectivement responsables du refroidissement dominant. Si la densité s' accroit encore, ce sont les collisions poussière/gaz qui sont responsables de la majeure partie du refroidissement.

Bref, ça dépend du régime. Si j' ai bien compris l' article . Mais je fais confiance à ChiCyg pour rectifier, il nous a montré qu' il maîtrise bien le sujet - et je tiens également à le remercier pour ses interventions.

A+

--

Pascal.

quetzalcoatl · 29 août 2007

La molécule est dans les pieds d'Arthur qui relance immédiatement en dribblant sur l'aile gauche !

Mais, ChiCo' est solide en défense, et sa contre-attaque généralement dévastatrice...

Quetza lui a troqué sa tenue d'arbitre pour enfiler une veste de supporter et, selon que la molécule se trouve dans un camp ou dans l'autre, il l'a retourne (sa veste) avec une déconcertante aisance.

Vôtre débat est passionnant mais quand je pensais le match (amical)

presque terminé, voilà une énième prolongation provoquée par un argument, une observation, ou un nuançement...

Continuez SVP, je ne me lasse pas.

ChiCyg · 29 août 2007

ArthurDent, je ne mérite pas tes compliments , je me suis fait piéger par la présentation de Futura Science qui mélange (à mon avis - j'essaie maintenant d'être prudent ) deux phases très différentes :

- les prémices de l'effondrement où le gaz est encore "homogène", très froid, transparent,

- et le moment où le nuage n'est plus homogène, où un disque et/ou une concentration centrale commencent à apparaître ou sont déjà formés (ce que suggère le texte et l'image),

Les mécanismes en jeu, les conditions sont très différentes dans ces deux cas, et en particulier, le rôle des molécules inversé. Même si les mécanismes individuels sont connus, l'interaction de ces mécanismes complique la situation : formation/destruction des molécules, formation / destruction de la poussière ce qui modifie la composition chimique du nuage en précipitant certaines espèces, effet du rayonnement UV externe qui détruit les molécules ou les grains de poussière, échauffement du aux rayons cosmiques, rôle des chocs, ...

quetzalcoatl · 29 août 2007

Zut!

Cela semble vraiment fini !

Bravo Arthur.

quetzalcoatl · 22 septembre 2007

Bonsoir,

Bien qu'en rupture avec l'aspect brillament débattu par Chico' & Arthur', cette article aborde une autre question liée à la formation des étoiles...

http://www.ast.obs-mip.fr/users/donati/press/v2129.html

ChiCyg · 24 septembre 2007

quetzalcoatl, la première question sur "l'effondrement" du nuage mettait en jeu deux antagonismes : la force de gravitation qui pousse le nuage à s'effondrer et à laquelle la pression du gaz (ou du plasma) résiste d'autant plus que sa température est élevée : le rayonnement de la proto-étoile dissipe de la chaleur, baisse donc sa température (par là sa pression) et permet donc à la gravitation de gagner progressivement du terrain.

L'article que tu cites traite d'un autre aspect de la formation des étoiles. C'est ce qui se passe dans un lavabo quand on le vide : la rotation du fluide par la force centrifuge qu'elle crée, "retient" le fluide de tomber dans la bonde. C'est par le "freinage" de cette rotation sur les bords du lavabo que le fluide, ralenti, ne peut plus résister à sa chute. Le phénomène est semblable pour les étoiles, mais elles ne disposent pas des bords d'un lavabo sur lequel s'appuyer . Il faut donc trouver un appui et un mécanisme de freinage. L'appui ce ne peut être que la matière autour de la proto-étoile, c'est-à-dire le disque. Il faut transférer du "moment angulaire" (de la "quantité de rotation") depuis l'intérieur vers l'extérieur. Le mécanisme peut être les forces de marée (comme dans le couple terre-lune) mais ce n'est pas très efficace. Un autre mécanisme est lié à la viscosité (comme dans le miel). Le gaz poussiéreux de la proto-étoile, a en lui-même, très peu de viscosité : en revanche, le champ magnétique contraint la matière à suivre ses "tubes" et tend à ce que tout le disque tourne "d'un bloc" : la rotation intérieure est ralentie, celle externe, accélérée. La compréhension du mécanisme de formation des étoiles et de leur rotation dépend de la bonne évaluation de cette viscosité magnétique. C'est pas facile, facile ...

quetzalcoatl · 3 octobre 2007

Bonjour,

Merci ChiC'. Ton travail de reformulation m'aide de façon très appréçiable même si par ailleurs, tu réexpliques (parfois) des points que je comprends assez bien.

Cette fois-ci, un article sur la nébuleuse NGC 3603 observée grace à Hubble nous permet de mieux vérifier la limite haute théorique de la masse des étoiles et d'étudier en détails les globules de Bok...

http://www.esa.int/esaCP/SEM7A87H07F_index_0.html

http://perso.orange.fr/pgj/1007-nouvelles.htm#NGC_3603