16.E : Le soleil, une centrale nucléaire (exercices)

Pour une exploration plus approfondie

Des articles

Harvey, J. et coll. « GONG : Pour voir l'intérieur de notre soleil. » Sky & Telescope (novembre 1987) : 470.

Hathaway, D. « Voyage au cœur du soleil ». Astronomie (janvier 1995) : 38.

Kennedy, J. « GONG : Sonder le cœur caché du soleil ». Sky & Telescope (octobre 1996) : 20. Discussion sur l'hydrosismologie.

LoPresto, J. « Vue de l'intérieur du soleil ». Astronomie (mars 1989) : 20. Discussion sur l'hydrosismologie.

McDonald, A. et coll. « Résoudre le problème des neutrinos solaires. » Scientific American (avril 2003) : 40. Une discussion sur la façon dont des expériences souterraines avec des détecteurs de neutrinos ont contribué à expliquer l'absence apparente de neutrinos provenant du Soleil.

Trefil, J. « Comment les étoiles brillent ». Astronomie (janvier 1998) : 56.

Sites Web

Albert Einstein en ligne : http://www.westegg.com/einstein/.

Particule fantôme : http://www.pbs.org/wgbh/nova/neutrino/.

Site du projet GONG : http://gong.nso.edu/.

Héliosismologie : solar-center.stanford.edu/abo... eismology.html.

Laboratoire de physique des plasmas de Princeton : http://www.pppl.gov/.

Résoudre le mystère des neutrinos solaires : www.nobelprize.org/nobel_priz... ysics/bahcall/.

Page de la Messe aux neutrinos de Super Kamiokande : http://www.ps.uci.edu/~superk/.

Vidéos

Deep Secrets of the Neutrino : Physics Underground : https://www.youtube.com/watch?v=Ar9ydagYkYg. Conférence publique 2010 de Peter Rowson au Stanford Linear Accelerator Center (1:22:00).

Le neutrino insaisissable et la nature de la physique : https://www.youtube.com/watch?v=CBfUHzkcaHQ. Panel au World Science Festival 2014 (13h30).

Activités de groupe collaboratives

1. Dans ce chapitre, nous avons appris que les météorites qui tombent sur le Soleil ne pouvaient pas être la source d'énergie solaire car l'augmentation nécessaire de la masse du Soleil allongerait la période orbitale de la Terre de 2 secondes par an. Demandez à votre groupe de discuter des effets que cela pourrait avoir sur notre planète et sur nous au fil des siècles.
2. Les astronomes solaires peuvent en apprendre davantage sur l'intérieur du Soleil s'ils peuvent observer les oscillations du Soleil 24 heures sur 24. Cela signifie qu'ils ne peuvent pas voir leurs observations interrompues par le cycle jour/nuit. Une telle expérience, appelée projet GONG (Global Oscillation Network Group), a été mise en place pour la première fois dans les années 1990. Pour économiser de l'argent, cette expérience a été conçue pour utiliser le plus petit nombre possible de télescopes. Il s'avère que si les sites sont sélectionnés avec soin, le Soleil peut être observé presque 10 % du temps avec seulement six stations d'observation. Quels sont, selon vous, les facteurs qui doivent être pris en compte lors de la sélection des sites d'observation ? Votre groupe peut-il suggérer six emplacements géographiques généraux qui optimiseraient la durée pendant laquelle le soleil peut être observé ? Vérifiez votre réponse en consultant le site Web de GONG.
3. Que se passerait-il si nous parvenions réellement à obtenir une fusion contrôlée sur Terre pour qu'elle soit économiquement réalisable ? Si l'hydrogène contenu dans l'eau devient le combustible qui libère d'énormes quantités d'énergie (au lieu de combustibles fossiles), demandez à votre groupe de discuter de la manière dont cela affecte l'économie mondiale et la politique internationale. (Pensez au rôle que jouent aujourd'hui les gisements de pétrole et de gaz naturel sur la scène mondiale et dans la politique internationale.)
4. Votre groupe est une délégation envoyée au conseil municipal d'une petite ville minière pour expliquer pourquoi le gouvernement installe une cuve de liquide de nettoyage commercial de la taille d'une piscine dans l'un des puits d'une ancienne mine d'or. Comment aborderiez-vous cette réunion ? En supposant que les membres du conseil municipal n'ont pas beaucoup de connaissances scientifiques, comment leur expliqueriez-vous l'importance du projet ? Suggérez des aides visuelles que vous pourriez utiliser.
5. Lorsque Raymond Davis a suggéré pour la première fois son expérience dans la mine d'or souterraine, qui avait des coûts importants, certains ont dit que cela n'en valait pas la peine puisque nous connaissions déjà les conditions et les réactions au cœur du Soleil. Pourtant, son expérience a entraîné un changement majeur dans notre compréhension des neutrinos et de la physique des particules subatomiques. Votre groupe peut-il penser à d'autres expériences astronomiques « coûteuses » qui ont permis d'améliorer fondamentalement notre compréhension de la nature ?

Questions de révision

1. Comment connaît-on l'âge du Soleil ?
2. Expliquez comment nous savons que l'énergie du Soleil n'est fournie ni par la combustion de produits chimiques, comme c'est le cas dans les incendies sur Terre, ni par la contraction gravitationnelle (rétrécissement).
3. Quelle est la source d'énergie ultime qui fait briller le soleil ?
4. Quelles sont les formules des trois étapes de la chaîne proton-proton ?
5. En quoi un neutrino est-il différent d'un neutron ? Énumérez toutes les manières imaginables.
6. Décrivez avec vos propres mots ce que signifie l'affirmation selon laquelle le Soleil est en équilibre hydrostatique.
7. Deux étudiants en astronomie se rendent dans le Dakota du Sud. L'un d'eux se tient à la surface de la Terre et profite du soleil. Au même moment, l'autre descend dans une mine d'or où des neutrinos sont détectés, arrivant à temps pour détecter la création d'un nouveau noyau d'argon radioactif. Bien que le photon à la surface et les neutrinos de la mine arrivent en même temps, ils ont eu des histoires très différentes. Décrivez les différences.
8. Que nous apprennent les mesures du nombre de neutrinos émis par le Soleil sur les conditions qui règnent au plus profond de l'intérieur du Soleil ?
9. Les neutrinos ont-ils une masse ? Décrivez comment la réponse à cette question a évolué au fil du temps et pourquoi.
10. Les neutrinos produits au cœur du Soleil transportent l'énergie vers l'extérieur. Le mécanisme de ce transport d'énergie est-il la conduction, la convection ou le rayonnement ?
11. Quelles sont les conditions requises pour que la fusion des chaînes proton-proton puisse commencer dans le Soleil ?
12. Décrivez les deux principaux moyens par lesquels l'énergie traverse le Soleil.

Questions de réflexion

1. Quelqu'un suggère que les astronomes construisent un détecteur de rayons gamma spécial pour détecter les rayons gamma produits par la chaîne proton-proton au cœur du Soleil, tout comme ils ont construit un détecteur de neutrinos. Expliquez pourquoi cet effort serait infructueux.
2. La Terre contient des éléments radioactifs dont la désintégration produit des neutrinos. Comment utiliser les neutrinos pour déterminer la répartition de ces éléments à l'intérieur de la Terre ?
3. Le Soleil est beaucoup plus grand et plus massif que la Terre. Pensez-vous que la densité moyenne du Soleil est plus ou moins grande que celle de la Terre ? Notez votre réponse avant de rechercher les densités. Trouvez maintenant les valeurs des densités ailleurs dans ce texte. Aviez-vous raison ? Expliquez clairement la signification de la densité et de la masse.
4. Un ami qui n'a pas suivi de cours d'astronomie suggère que le soleil doit être plein de charbon brûlant pour briller aussi fort qu'il le fait. Énumérez autant d'arguments que possible à l'encontre de cette hypothèse.
5. Laquelle des transformations suivantes est (sont) une fusion et laquelle est (sont) une fission : hélium en carbone, carbone en fer, uranium en plomb, bore en carbone, oxygène en néon ? (Voir l'annexe K pour la liste des éléments.)
6. Pourquoi faut-il une température plus élevée pour fusionner l'hydrogène en hélium au moyen du cycle CNO que celle requise par le processus qui se produit au Soleil, qui implique uniquement des isotopes de l'hydrogène et de l'hélium ?
7. L'atmosphère de la Terre est en équilibre hydrostatique. Cela signifie que la pression en tout point de l'atmosphère doit être suffisamment élevée pour supporter le poids de l'air au-dessus de celle-ci. Comment vous attendriez-vous à la pression sur le mont. L'Everest est-il différent de la pression qui règne dans votre classe ? Expliquez pourquoi.
8. Expliquez ce que cela signifie lorsque nous disons que les océans de la Terre sont en équilibre hydrostatique. Supposons maintenant que vous êtes un plongeur. Vous attendez-vous à ce que la pression augmente ou diminue lorsque vous plongez sous la surface à une profondeur de 200 pieds ? Pourquoi ?
9. Quel mécanisme transfère la chaleur de la surface de la Lune ? Si la Lune perd de l'énergie de cette façon, pourquoi ne devient-elle pas simplement de plus en plus froide ?
10. Supposons que vous vous trouviez à quelques mètres d'un feu de joie par une froide soirée d'automne. Votre visage commence à être chaud. Quel est le mécanisme qui transfère la chaleur du feu à votre visage ? (Conseil : l'air entre vous et le feu est-il plus chaud ou plus froid que votre visage ?)
11. Donnez des exemples quotidiens de transport de chaleur par convection et par rayonnement.
12. Supposons que le cycle proton-proton du Soleil ralentisse soudainement et génère de l'énergie à seulement 95 % de son rythme actuel. Un observateur sur Terre verrait-il une diminution immédiate de la luminosité du Soleil ? Verrait-elle immédiatement une diminution du nombre de neutrinos émis par le Soleil ?
13. Pensez-vous que la fusion nucléaire a lieu dans l'atmosphère des étoiles ? Pourquoi ou pourquoi pas ?
14. Pourquoi la fission n'est-elle pas une source d'énergie importante pour le Soleil ?
15. Pourquoi pensez-vous qu'une si grande fraction de l'énergie du Soleil provient de ses régions centrales ? De quelle fraction du rayon du Soleil provient la quasi-totalité de la luminosité du Soleil (voir la figure de\(16.3.7\) la section 16.3) ? Dans quel rayon du Soleil son hydrogène d'origine a-t-il été partiellement utilisé ? Discutez de la relation que les réponses à ces questions entretiennent les unes avec les autres.
16. Expliquez comment les modèles informatiques mathématiques nous permettent de comprendre ce qui se passe à l'intérieur du Soleil.

Se débrouiller par vous-même

1. Estimez la quantité de masse convertie en énergie lorsqu'un proton se combine avec un noyau de deutérium pour se former\(^3 \text{He}\).
2. Quelle quantité d'énergie est libérée lorsqu'un proton se combine à un noyau de deutérium pour produire\(^3 \text{He}\) ?
3. Le Soleil convertit\(4 \times 10^9 \text{ kg}\) sa masse en énergie à chaque seconde. Combien d'années faudrait-il au Soleil pour convertir en énergie une masse égale à la masse de la Terre ?
4. Supposons que la masse du Soleil soit composée à 75 % d'hydrogène et que la totalité de cette masse puisse être convertie en énergie selon l'équation d'Einstein\(E = mc^2\). Quelle quantité d'énergie totale le soleil peut-il générer ? Si\(m\) est en kg et\(c\) est en m/s, alors\(E\) sera exprimé en J. (La masse du Soleil est donnée à l'annexe E.)
5. En fait, la conversion de la masse en énergie solaire n'est pas efficace à 100 %. Comme nous l'avons vu dans le texte, la conversion de quatre atomes d'hydrogène en un atome d'hélium entraîne la conversion d'environ 0,02862 fois la masse d'un proton en énergie. Quelle quantité d'énergie en joules est produite par une telle réaction ? (Voir l'annexe E pour la masse de l'atome d'hydrogène qui, à toutes fins pratiques, est la masse d'un proton.)
6. Supposons maintenant que tous les atomes d'hydrogène du Soleil aient été convertis en hélium. Quelle quantité totale d'énergie serait produite ? (Pour calculer la réponse, vous devrez estimer le nombre d'atomes d'hydrogène présents dans le Soleil. Cela vous donnera de bonnes pratiques en matière de notation scientifique, car les nombres impliqués sont très importants ! Voir l'annexe C pour une révision de la notation scientifique.)
7. Les modèles du Soleil indiquent qu'environ 10 % seulement de l'hydrogène total du Soleil participera aux réactions nucléaires, étant donné que seul l'hydrogène des régions centrales se trouve à une température suffisamment élevée. Utilisez l'énergie totale rayonnée par seconde par le Soleil, 3,8 × 10 ²⁶ watts, en plus des exercices et des informations donnés ici pour estimer la durée de vie du Soleil. (Conseil : assurez-vous de garder une trace des unités : si la luminosité est l'énergie rayonnée par seconde, votre réponse sera également en secondes. Vous devriez convertir la réponse en quelque chose de plus significatif, comme des années.)
8. Montrez que l'affirmation contenue dans le texte est correcte, à savoir qu'environ 600 millions de tonnes d'hydrogène doivent être converties en hélium par seconde dans le Soleil pour expliquer sa production d'énergie. (Conseil : souvenez-vous de la formule la plus célèbre d'Einstein et rappelez-vous que pour chaque kg d'hydrogène, 0,0071 kg de masse est converti en énergie.) Combien de temps faudra-t-il avant que 10 % de l'hydrogène ne soit converti en hélium ? Cette réponse correspond-elle à la durée de vie que vous avez calculée lors de l'exercice précédent ?
9. Chaque seconde, le Soleil convertit 4 millions de tonnes de matière en énergie. Combien de temps faudra-t-il au Soleil pour réduire sa masse de 1 % (la masse du Soleil est de 2 × 10 ³⁰) ? Comparez votre réponse avec la durée de vie du Soleil jusqu'à présent.
10. Le détecteur de neutrinos de Raymond Davis Jr. contenait environ 1 030 atomes de chlore. Au cours de son expérience, il a découvert qu'un neutrino réagissait avec un atome de chlore pour produire un atome d'argon par jour.

1. Combien de jours aurait-il à faire l'expérience pour que 1 % de son réservoir soit rempli d'atomes d'argon ?
2. Convertissez votre réponse de A. en années.
3. Comparez cette réponse à l'âge de l'univers, qui est d'environ 14 milliards d'années (1,4 × 10 ¹⁰ ans).
4. Qu'est-ce que cela vous apprend sur la fréquence à laquelle les neutrinos interagissent avec la matière ?