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Quel âge a le soleil ? Comment le soleil brille-t-il ? Ces questions sont les deux faces d’une même pièce, comme nous allons le voir.

Le taux auquel le soleil rayonne de l’énergie est facilement calculé en utilisant le taux mesuré auquel l’énergie atteint la surface de la terre et la distance entre la terre et le soleil. L’énergie totale que le soleil a rayonnée au cours de sa vie est approximativement le produit du taux actuel d’émission d’énergie, appelé luminosité solaire, par l’âge du soleil.

Plus le soleil est âgé, plus la quantité totale d’énergie solaire rayonnée est importante. Plus l’énergie rayonnée est grande, ou plus l’âge du soleil est grand, plus il est difficile de trouver une explication à la source de l’énergie solaire.

Pour mieux apprécier la difficulté de trouver une explication, considérons une illustration spécifique de l’énorme taux auquel le soleil rayonne de l’énergie. Supposons que nous mettions un centimètre cube de glace à l’extérieur, un jour d’été, de telle sorte que tout le rayonnement solaire soit absorbé par la glace. Même à la grande distance entre la terre et le soleil, le soleil fera fondre le cube de glace en 40 minutes environ. Comme cela se produirait n’importe où dans l’espace à la distance de la terre par rapport au soleil, une énorme coquille sphérique de glace centrée sur le soleil et d’un diamètre de 300 millions de km (200 millions de miles) fondrait en même temps. Ou, en rétrécissant la même quantité de glace jusqu’à la surface du soleil, on peut calculer qu’une zone dix mille fois plus grande que la surface de la terre et d’une épaisseur d’environ un demi kilomètre (0,3 mile) serait également fondue en 40 minutes par l’énergie se déversant du soleil.

Dans cette section, nous discuterons de la façon dont les scientifiques du XIXe siècle ont essayé de déterminer la source de l’énergie solaire, en utilisant l’âge solaire comme indice.

Estimations contradictoires de l’âge solaire

La source d’énergie du rayonnement solaire était considérée par les physiciens du XIXe siècle comme étant la gravitation. Dans une conférence influente de 1854, Hermann von Helmholtz, un professeur allemand de physiologie qui devint un éminent chercheur et professeur de physique, proposa que l’origine de l’énorme énergie rayonnée par le soleil soit la contraction gravitationnelle d’une grande masse. Un peu plus tôt, dans les années 1840, J. R. Mayer (un autre médecin allemand) et J. J. Waterson avaient également suggéré que l’origine du rayonnement solaire est la conversion de l’énergie gravitationnelle en chaleur.1

Les biologistes et les géologues se sont penchés sur les effets du rayonnement solaire, tandis que les physiciens se sont concentrés sur l’origine de l’énergie rayonnée. En 1859, Charles Darwin, dans la première édition de On The Origin of the Species by Natural Selection, a fait un calcul grossier de l’âge de la terre en estimant combien de temps il faudrait à l’érosion se produisant au rythme observé actuellement pour emporter le Weald, une grande vallée qui s’étend entre les North et South Downs dans le sud de l’Angleterre. Il obtint un chiffre pour la « dénudation du Weald » de l’ordre de 300 millions d’années, apparemment assez long pour que la sélection naturelle ait produit l’étonnante gamme d’espèces qui existent sur terre.

Comme le soulignait Herschel, la chaleur du soleil est responsable de la vie et de la majeure partie de l’évolution géologique sur terre. Par conséquent, l’estimation par Darwin d’un âge minimal pour l’activité géologique sur la terre impliquait une estimation minimale de la quantité d’énergie que le soleil a rayonnée.

Firmement opposé à la sélection naturelle darwinienne, William Thomson, plus tard Lord Kelvin, était professeur à l’université de Glasgow et l’un des grands physiciens du XIXe siècle. En plus de ses nombreuses contributions aux sciences appliquées et à l’ingénierie, Thomson a formulé la deuxième loi de la thermodynamique et établi l’échelle de température absolue, qui a ensuite été nommée échelle de Kelvin en son honneur. La deuxième loi de la thermodynamique stipule que la chaleur circule naturellement d’un corps plus chaud vers un corps plus froid, et non l’inverse. Thomson s’est donc rendu compte que le soleil et la terre doivent se refroidir à moins qu’il n’y ait une source d’énergie externe et que finalement la terre deviendra trop froide pour supporter la vie.

Kelvin, comme Helmholtz, était convaincu que la luminosité du soleil était produite par la conversion de l’énergie gravitationnelle en chaleur. Dans une version précoce (1854) de cette idée, Kelvin a suggéré que la chaleur du soleil pourrait être produite continuellement par l’impact des météores tombant sur sa surface. Kelvin a été forcé par les preuves astronomiques de modifier son hypothèse et il a alors soutenu que la source primaire de l’énergie disponible pour le soleil était l’énergie gravitationnelle des météores primordiaux à partir desquels il a été formé.

Ainsi, avec beaucoup d’autorité et d’éloquence, Lord Kelvin a déclaré en 1862:

Qu’une certaine forme de la théorie météorique est certainement l’explication vraie et complète de la chaleur solaire peut à peine être mise en doute, lorsque les raisons suivantes sont considérées : (1) Aucune autre explication naturelle, sauf par l’action chimique, ne peut être conçue. (2) La théorie chimique est tout à fait insuffisante, car l’action chimique la plus énergique que nous connaissions, se produisant entre des substances représentant la masse entière du soleil, ne produirait qu’une chaleur d’environ 3.000 ans. (3) Il n’y a aucune difficulté à rendre compte de 20 000 000 d’années de chaleur par la théorie météorique.

Kelvin a continué en attaquant directement l’estimation de Darwin, demandant rhétoriquement :

Que devons-nous donc penser d’estimations géologiques telles que 300 000 000 d’années pour la « dénudation du Weald » ?

Croyant que Darwin se trompait dans son estimation de l’âge de la terre, Kelvin croyait aussi que Darwin se trompait sur le temps disponible pour que la sélection naturelle opère.

Lord Kelvin a estimé la durée de vie du soleil, et par implication de la terre, comme suit. Il a calculé l’énergie gravitationnelle d’un objet ayant une masse égale à la masse du soleil et un rayon égal au rayon du soleil et a divisé le résultat par le taux auquel le soleil rayonne de l’énergie. Ce calcul a donné une durée de vie de seulement 30 millions d’années. L’estimation correspondante pour la durée de vie durable par l’énergie chimique était beaucoup plus faible, car les processus chimiques libèrent très peu d’énergie.

Qui avait raison ?

Comme nous venons de le voir, au dix-neuvième siècle, vous pouviez obtenir des estimations très différentes de l’âge du soleil, selon la personne à qui vous demandiez. D’éminents physiciens théoriciens soutenaient, sur la base des sources d’énergie connues à l’époque, que le soleil avait tout au plus quelques dizaines de millions d’années. De nombreux géologues et biologistes ont conclu que le soleil devait briller depuis au moins plusieurs centaines de millions d’années afin de pouvoir expliquer les changements géologiques et l’évolution des êtres vivants, qui dépendent tous deux de manière critique de l’énergie du soleil. Ainsi, l’âge du soleil, et l’origine de l’énergie solaire, étaient des questions importantes non seulement pour la physique et l’astronomie, mais aussi pour la géologie et la biologie.

Darwin était tellement ébranlé par la puissance de l’analyse de Kelvin et par l’autorité de son expertise théorique que dans les dernières éditions de Sur l’origine des espèces, il élimina toute mention d’échelles de temps spécifiques. Il écrivit en 1869 à Alfred Russel Wallace, le codécouvreur de la sélection naturelle, pour se plaindre de Lord Kelvin :

Les opinions de Thomson sur l’âge récent du monde ont été pendant un certain temps l’un de mes problèmes les plus douloureux.

Aujourd’hui, nous savons que Lord Kelvin avait tort et que les géologues et les biologistes évolutionnistes avaient raison. La datation radioactive des météorites montre que le soleil a 4,6 milliards d’années.

Qu’est-ce qui était faux dans l’analyse de Kelvin ? Une analogie peut vous aider. Supposons qu’un ami vous observe en train d’utiliser votre ordinateur et qu’il essaie de déterminer combien de temps l’ordinateur a fonctionné. Une estimation plausible pourrait être de quelques heures au maximum, puisque c’est la durée maximale pendant laquelle une batterie pourrait fournir la quantité d’énergie requise. Le défaut de cette analyse est de supposer que votre ordinateur est nécessairement alimenté par une batterie. L’estimation de quelques heures pourrait être fausse si votre ordinateur était alimenté par une prise électrique murale. L’hypothèse selon laquelle une batterie fournit l’énergie de votre ordinateur est analogue à celle de Lord Kelvin selon laquelle l’énergie gravitationnelle alimente le soleil.

Comme les physiciens théoriques du XIXe siècle ne connaissaient pas la possibilité de transformer la masse nucléaire en énergie, ils ont calculé un âge maximal pour le soleil qui était trop court. Néanmoins, Kelvin et ses collègues ont apporté une contribution durable aux sciences de l’astronomie, de la géologie et de la biologie en insistant sur le principe selon lequel les déductions valables dans tous les domaines de recherche doivent être compatibles avec les lois fondamentales de la physique.

Nous allons maintenant aborder certains des développements marquants dans la compréhension de la façon dont la masse nucléaire est utilisée comme combustible pour les étoiles.

1 von Helmholtz et Mayer étaient deux des codécouvreurs de la loi de conservation de l’énergie. Cette loi stipule que l’énergie peut être transformée d’une forme à une autre mais que la quantité totale est toujours conservée. La conservation de l’énergie est un principe de base de la physique moderne qui est utilisé pour analyser les domaines les plus petits (subatomiques) et la plus grande structure connue (l’univers), et à peu près tout ce qui se trouve entre les deux. Nous verrons plus loin que la généralisation par Einstein de la loi de conservation de l’énergie a été un ingrédient clé dans la compréhension de l’origine du rayonnement solaire. L’application de la conservation de l’énergie à la radioactivité a révélé l’existence des neutrinos.

Un aperçu de la solution

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