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Anomalies thermodynamiques dans les étoiles

Dossier - Changement de phase à Lilliput
DossierClassé sous :physique , température , chimie

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Quand on chauffe un liquide, on observe que sa température augmente jusqu'au moment où il est porté à ébullition. L'accroissement de température s'arrête alors miraculeusement. Pourquoi ? Ces interrogations seront l'objet de ce dossier.

  
DossiersChangement de phase à Lilliput
 

Depuis l'élaboration de la mécanique quantique au début du vingtième siècle nous sommes bien habitués aux étrangetés apparentes du monde microscopique, la compréhension duquel échappe bien souvent a notre sens commun. Ce qui est plus étonnant dans ce paradoxe d'objets qui refroidissent quand on les chauffe, c'est que les premières conjectures sur la possibilité d'une capacité calorifique négative ne viennent pas de l'infiniment petit mais au contraire de l'astrophysique, plus particulièrement de la physique des objets autogravitants telles les étoiles dans les dernières étapes de leur évolution.

Cette histoire commence en 1968, quand Donald Lynden-Bell propose pour la première fois que les étoiles, avant d'atteindre le point d'effondrement qui suit l'épuisement du combustible nucléaire, puissent passer par des états d'équilibre caractérisés par une capacité calorifique négative  1Le jeune scientifique, âgé à l'époque de trente trois ans, n'a pas encore reçu la prestigieuse médaille d'or de la Société Astronomique Royale (RAS), mais il est déjà très connu pour ses importantes contributions sur la dynamique des étoiles et l'origine de la galaxie ; toutefois ses propos sont unanimement reçus par la communauté des thermodynamiciens comme un nonsense.

Gauche : notre Soleil. Droite : capacité calorifique d'un astre en fonction de la densité à son centre divisée par la densité à sa surface calculée par D.Lynden-Bell. On peut remarquer une région à capacité calorifique négative.

Pourtant tout astrophysicien est bien au courant du fait que le rayonnement des étoiles (qui correspond à une perte d'énergie) s'accompagne, en l'absence des réactions nucléaires, à une contraction gravitationnelle qui à son tour engendre une augmentation de sa température. L'étoile se comporte donc comme un système à capacité calorifique négative.

Ce qui est encore plus intéressant, ceci reste vrai même pour les étoiles jeunes et actives comme notre Soleil. Le concept de capacité calorifique négative permet en effet de comprendre de façon simple pourquoi une étoile de la taille du soleil, avec sa puissance faramineuse de 4 x 1016 KW/s (équivalent à 100 milliards de tonnes de TNT), transforme gentiment son hydrogène en hélium depuis 4.6 milliards d'années comme une centrale thermonucléaire bien maîtrisée, au lieu de tout simplement nous exploser au nez comme une bombe H. En effet la diminution de température causée par l'émission radiative empêche au taux de réactions de diverger, et agit ainsi en modérateur naturel du réacteur thermonucléaire représenté par le soleil.

Une capacité calorifique négative est donc presque une banalité pour les astronomes ; de plus, ce phénomène est essentiel pour l'existence même de la vie sur la terre ! Pourquoi alors la proposition de D.Lynden-Bell a-t-elle été accueillie avec tant de méfiance et a été finalement acceptée presque universellement par la communauté scientifique seulement en l'an 2000 avec les premières mises en évidence expérimentales de systèmes à capacité calorifique négative ?

1 D.Lynden-Bell, R.Wood, Mon.Not.R.Astr.Soc. 138 (1968) 495..