par 18 commentaires

le soleil dans différents domaines spectraux
Le Soleil, ce n’est pas une géante boule de gaz qui brûle, comme on apprend en maternelle. C’est un peu plus complexe que ça : il a fallu attendre la fin du XIXe siècle pour découvrir la source de son énergie et la moitié du XXe siècle pour en connaître précisément le fonctionnement..

Au XIXe siècle et même avant, Avant la découverte de l’énergie nucléaire, on connaissait l’énergie chimique : la combustion. Connaissant sa distance à la Terre (merci Newton et Galilée), sa taille fut connue également et si le Soleil était fait de charbon, il était estimé qu’il avait environ 6000 ans, tout comme la Terre selon la Bible.

Lord Kelvin avait bien trouvé ces 6000 ans beaucoup trop courts et il avait émis l’hypothèse que la gravitation libérait de l’énergie. Il émit l’hypothèse que l’effondrement gravitationnel jouait un rôle dans la production de l’énergie du Soleil. Il avait raison, mais il était encore loin de la vérité avec son âge solaire estimé à 220 000 000 d’années.

Quand les Curie et Becquerel découvrent les phénomènes radioactifs, puis d’autres plus tard l’énergie nucléaire, il fut évident que le Soleil ne pouvait tirer son énergie que de là : c’était la seule explication pour un âge très avancé, ainsi que pour le cycle de vie des étoiles.

Comment notre étoile tire-t-elle son énergie du nucléaire ?

Le Soleil est une boule de plasma : des atomes (hydrogène principalement) y sont si énergétiques qu’ils ne sont plus liés à leur électrons : les électrons sont tous libres. Le Soleil est donc une soupe d’atomes baignant dans leurs électrons. Au cœur de l’étoile, là où règne une pression colossale et où la densité est de 150 tonnes par mètre cube, les particules sont très proches les unes des autres. Si proches, en fait, qu’il leur arrive de fusionner.

Sur Terre, pour fusionner artificiellement de l’hydrogène, on augmente la vitesse de déplacement des atome en les chauffant. Il faut les faire aller suffisamment vite pour qu’ils franchissent la barrière coulombienne : cette limite à partir de laquelle la force nucléaire attractive forte l’emporte sur la force électromagnétique répulsive. La température pour franchir la barrière coulombienne est de plusieurs centaines de millions de degrés.
Le centre du Soleil, lui, n’est « qu’à » 15 millions de degrés, alors comment ça marche ?

En réalité, c’est quelque chose du nom d’effet tunnel quantique qui nous explique le fonctionnement des étoiles. L’effet tunnel, c’est le comportement pour un atome (ou tout autre particule subatomique) de pouvoir comme sauter d’une position dans l’espace à une autre en se dématérialisant puis en se matérialisant un peu plus loin.
Les particules subatomiques n’ont pas de position fixe et définie : ils disposent d’une probabilité de présence autour d’un point de l’espace et il peuvent être quelque part autour de ce point et sauter d’un endroit à un autre, même si aucune force ne les pousse ou attire vers cet autre position, même si justement une force ou une autre particule les en empêchent. Un électron, par exemple, peut ainsi se trouver en plein milieu du noyau de son atome (provoquant au passage l’éclatement de l’atome, par interaction faible).

Avec l’effet tunnel, et sans avoir à atteindre une température de 100 millions de degrés, un noyau d’hydrogène (un proton, donc) dans le Soleil peut soudainement se retrouver juste à côté d’un autre noyau d’hydrogène. Vu qu’il se trouve alors à l’intérieur du champ d’attraction de l’interaction forte, les deux protons restent collés : on dit que les deux noyaux d’hydrogène ont fusionnés. Cette réaction de fusion nucléaire n’est pas encore finie : un des protons va émettre un positron (anti-particule de l’électron) et un neutrino pour se transformer en neutron, et le tout émet une énorme quantité d’énergie : on se retrouve donc avec du un proton soudé à un neutron : c’est du deutérium et de l’énergie.

Cet effet tunnel qui arrive à coller deux protons ensemble est assez rare à se produire, surtout si le positionnement du proton qui saute se fait de façon totalement aléatoire.
Le Soleil le fait pourtant sans cesse et sans problèmes. En fait, si la probabilité de cet événement est faible, la masse gigantesque du Soleil et son nombre encore plus énorme de protons qu’il contient (environ $10^{60}$) font que cet évènement rare devient très fréquent.

Le processus ne s’arrête toujours pas là : une fois qu’on a du deutérium, il faut trouver un autre deutérium et répéter le processus de fusion pour former de l’hélium 3 (${}^3 \! He$). Enfin, un ${}^3 \! He$ fusionne avec un autre ${}^3 \! He$ et vous avez de l’hélium 4, le ${}^4 \! He$ « classique » :

représentation de la fusion dans le soleil
(source)

Au cours de tout ce processus qui consomme 4 noyaux d’hydrogène et produit un noyau d’hélium, des neutrinos et de positrons. Les positrons vont s’annihiler avec des électrons et produire beaucoup d’énergie : des photons.

Le Soleil consomme de cette façon de l’hydrogène et libère entre autre de l’énergie : une partie de la masse des atomes d’hydrogène est transformée directement en énergie, le tout selon la célèbre équation « $E=mc^2$ », soit « $\acute{e}\text{nergie} = \text{masse} \times \text{vitesse de la lumi}\grave{e}\text{re}^2$ ».
Au total, ce sont 620 millions de tonnes de matière qui sont transformées en énergie chaque seconde… Et ceci dure depuis environ 4,5 milliard d’années et durera encore au moins autant.

Quant aux neutrinos ? Ils sont si rapides et si inertes qu’ils sortent du Soleil en quelques secondes. Les neutrinos sont extrêmement nombreux : chaque centimètre carré de votre corps est traversé par des milliards de neutrinos, chaque seconde, sans qu’on ne les ressente.
Les photons, eux, ne sortent pas du Soleil si vite : ils mettrons une centaine de milliers d’années à sortir. Ils sont absorbés par la matière, qui en réémet d’autres, et les photons finissent un jour par sortir de l’étoile.

La lumière que l’on voit cependant, est due à la chaleur de surface du Soleil : tout corps chauffé émet des photons, et la longueur d’onde dépend de la température de chauffe. C’est pour ça que la surface du Soleil, à 6 000 °C, émet globalement de la lumière blanche. Des étoiles plus chaudes sont bleues, des étoiles plus froides sont rouges, voire brunes.

Le Soleil, avant de conclure, ne pourrait pas fonctionner sans les effets de la physique quantique expliquées plus haut. Cela ne signifie pas que le Soleil ne fonctionnait pas avant la découverte de la quantique, mais simplement qu’il a fallu attendre le XXe siècle et la découverte de la structure de l’atome, de l’énergie nucléaire, des neutrinos pour comprendre précisément le fonctionnement de notre étoile et donner une explication qui tient la route sur tous les plans.

Le Soleil est en fait un système à l’équilibre : l’équilibre entre les forces de gravitation qui provoquent l’effondrement de tout l’hydrogène sur le cœur du Soleil et des radiations énergétiques dues à la fusion nucléaire qui éloignent le plus qu’ils peuvent les atomes les uns des autres, limitant l’effondrement. De plus, si l’activité nucléaire diminuait subitement, la gravitation prendrait momentanément le dessus, comprimant le cœur un peu plus et augmentant alors la probabilité de la réalisation des réactions de fusion (en rapprochant les protons et autres noyaux), rétablissant alors l’équilibre initial. On peut dire que la fusion nucléaire couplée à l’effet tunnel constituent un rempart à l’effondrement total de la matière à l’échelle des étoiles.

Quand il n’y aura plus assez d’hydrogène, par contre, il ne restera plus que les forces gravitationnelles et le cœur de l’étoile s’effondrera. Un nouvel état d’équilibre se formera : celui où l’hélium dans le noyau plus dense va fusionner en carbone ou en oxygène, libérant encore plus d’énergie que la fusion de l’hydrogène.

Encore après, quand l’hélium sera épuisé, notre Soleil s’effondrera définitivement sur lui-même, n’étant pas assez massive pour provoquer la fusion du carbone en élément encore plus lourd, comme le feraient les étoiles géantes. L’effondrement se fera cependant lentement : les couches externes du soleil finiront comme par « s’évaporer » dans l’espace, et devenir une nébuleuse ; alors que les étoiles géantes s’effondrent sur elles-même, voient leurs couches externes rebondir sur le noyau très dense et finissent par exploser en supernova pour laisser au centre une étoile à neutron hyper-dense de la taille d’une ville ou d’un pays…

Enfin, pour conclure, sachez que la structure du Soleil est le théâtre de plein d’autres phénomènes : le plasma (soupe d’électrons et de protons), par exemple, n’est pas statique : il bouge, entre en convection et forme des courants dans les différentes couches du manteau solaire. Ces particules chargées qui se déplacent génèrent des champs magnétiques très intenses.

Certaines des lignes du champ magnétique sortent de l’étoile et conduisent d’autres particules chargées qui sont alors échauffées : si la surface du Soleil est à quelques milliers de degrés, la couronne solaire est aussi chaud que le noyau (mais bien moins dense).
La rupture éventuelle de ces lignes de champs magnétique porteuses de charges libère des flux de charges électriques dans l’espace : ce sont des vents solaires qui sont responsables des magnifiques aurores polaires sur Terre (boréales au nord et australes au sud), mais aussi sur Saturne et d’autres planètes ou lunes du système solaire…

Image de l’Observatoire de la Dynamique Solaire — NASA

18 commentaires

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matheod a dit :

" Un électron, par exemple, peut ainsi se trouver en plein milieu du noyau de son atome"

Il y a pas une histoire de niveau d'énergie, dont dépend justement la position (enfin la distance électron/noyau) de l'électron ? Avec un histoire d'état stable (plus petit rayon) auquel retourne en général l'électron ?

Dans ce cas là comment un électron pourrait il se "téléporter" au centre (qui n'est probablement pas l'état stable) ?

Oui c'est très confus ce que je dis, c'est juste des souvenirs.

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Le Hollandais Volant a dit :

@matheod :
C’est la capture électronique dans le cadre de la radioactivité Beta : un électron est capté par un proton, et les deux se transforment en un seul neutron et le tout libère un neutrino-électronique.

Le niveau d’énergie reste le même, c’est seulement l’effet tunnel qui fait que le l’électron peut se "déplacer" où il veut dans l’univers (selon des probabilités : genre, 99,9999% du temps dans son orbitale et le reste du temps, partout ailleurs dans l’univers).
Par ailleurs, la « distance électron/noyau » n’est qu’une métaphore : en vrai, les orbitales sont tout sauf sphériques ou circulaires, mais ont des formes très complexes selon les niveau d’énergie.

Vois ça par exemple comme une fourmilière : une fourmilière, c’est un gros tas de feuilles, d’aiguilles et de terre avec des fourmis autour et dedans. Plus tu t’éloignes de la fourmilière, plus la probabilité de trouver des fourmis diminue. Mais ça ne veut pas dire que trouver des fourmis est impossible.
si tu traces une « orbitale » autour de la fourmilière en choisissant l’orbitale de telle sorte qu’on y trouve 99,98% des fourmis (cette orbitale sera probablement circulaire), il restera tout de même 0,02% de fourmis qui se trouvent partout ailleurs autour, même éventuellement à 10 km de là (dans l’estomac d’un oiseau, par exemple).

Pour aller plus loin, si la fourmilière est attaquée par un prédateur, l’état du système devient « excité » et la forme de l’orbitale change : la probabilité de présence des fourmis a changé : désormais, 99,98% des fourmis sont en train d’attaquer le prédateur. Ce n’est alors plus un cercle.

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solide a dit :

Petite correction:

les particules sont très proches les unes des autres. En fait, il sont si proches qu’ils leur arrive de de fusionner entre-eux.

Et bien pourquoi ne pas avoir continué d'employer le féminin?

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TD a dit :

Ton explication de l'effet tunnel est confuse. Il faut revenir aux solutions de l'équation de Schrödinger pour une particule au voisinage d’une barrière de potentiel. Si la particule a une énergie supérieure à l’énergie potentielle de la barrière, elle passe. Si son énergie est inférieure, la fonction d’onde (qui est la probabilité de la particule à se trouver à un endroit) s'effondre (on parle alors d’onde évanescente) de manière exponentielle (littéralement : elle est en \\(e^{-x}\\)) mais reste non nulle même après le mur. Ce qui implique que la particule a une probabilité non nulle de se trouver derrière la barrière de potentiel.

Pour illustrer, on peut considérer un boulet de canon et un mur de briques. Si le boulet est à une altitude supérieure à la hauteur du mur, eh bien il passe au dessus. Sinon, il percute le mur qui peut potentiellement le détruire et passer au travers.

@solide. —  C’est évident, non ? Les particules aussi ont le droit de changer de sexe.

J’ai repéré un pléonasme : « vitesse de déplacement (sic) des particules ». Une vitesse non nulle implique forcément un déplacement.

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Le Hollandais Volant a dit :

@solide : parce que j’ai oublié de changer, après avoir replacé "atomes" par "particules".

@TD : c’est bien ce qui se passe ici : la barrière de potentiel correspond à la répulsion électromagnétique, mais les particules peuvent tout de même fusionner en franchissant cette barrière grâce à l’effet tunnel.

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Arfy a dit :

Ok pour "comment on arrive à l'Hélium".

Mais il ne manque pas aussi dans la vie de l'étoile: comment sont (de mémoire à la fin de sa "vie") créés les atomes plus lourds ?
Ou ce sera dans un article prochain ?

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Le Hollandais Volant a dit :

@Arfy : j’en parle brièvement : une fois qu’il y a l’hélium, c’est ce dernier qui est fusionné en carbone, en oxygène ou en silicium ou d’autres éléments de numéro atomique similaire.

Après, seules les étoiles plus grandes peuvent continuer à fusionner le carbone, l’oxygène, etc. et ainsi de suite.

Tout ce qui est après le fer et jusqu’à l’uranium dans le tableau périodique, c’est ensuite fait lors de supernovas, seules explosions assez puissantes.

Au delà de l’uranium, ce sont des éléments qui n’existent pas (ou plus du tout) dans la nature : ils sont instables et ils n’existe que grâce à l’homme qui les synthétise.

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Arfy a dit :

@Le Hollandais Volant : Ok merci, je me demandais juste "quand est ce que ces éléments plus lourds étaient produits".
Donc la réponse est : pendant la vie d'une étoile mais plus imposante que notre Soleil.

Je croyais que c'était dans la fin de vie/explosion d'une étoile que c'était fait. =)

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Le Hollandais Volant a dit :

@Arfy : il y a deux types d’éléments : ceux avant le fer dans le tableau périodique, et ceux après le fer.

Aussi grosse que soit l’étoile, elle ne pourra produire d’éléments plus lourd que le fer (ou le nickel, selon la "chaine de production").

La réaction qui produit ces éléments utilisent la force de gravitation (véritable moteur de cette source d’énergie) pour fusionner les éléments et libérer de l’énergie qui va alors compenser l’effondrement. À partir du fer, ce n’est plus rentable : fusionner du fer ne libère plus d’énergie mais en consomme : l’effondrement ne serait alors plus compensé mais accéléré. Ce n’est donc pas possible.
Le fer est l’élément le plus stable sur le plan de la fusion nucléaire.

Mais avant ça, la taille de l’étoile limite la production de certains éléments. Pour notre soleil, ce sera le carbone : au delà, la masse de l’étoile ne suffit plus à comprimer les atomes suffisamment pour les fusionner.

Les éléments plus gros (plomb, or, platine…) sont produits dans les supernovas.

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benjamin909 a dit :

Erreur sur les ordres de grandeurs des températures, il s'agit de millions de degrés au cœur du soleil (et non pas de milliards), idem pour la barrière coulombienne.

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Emilie a dit :
Je ne sais pas si j'aurai une réponse étant donné que j'interviens presque un an plus tard...mais bon, je tente.
Tout d'abord, je tiens à dire que cet article est très intéressant et a répondu a pas mal de mes questions, je remercie l'auteur. Cependant, je suis loin d'avoir tout compris.
J'ai une question dont la réponse pourrait vous paraître évidente mais un peu moins pour moi:
Pouvons-nous dire qu'il y a la conservation des éléments chimiques lorsque l'on obtient de l'hélium lors de la transformation nucléaire? Je pense que la réponse est oui mais si c'est bien le cas, je ne sais pas comment le justifier. Pourriez-vous m'éclairer?
Merci!
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Le Hollandais Volant a dit :
@Emilie : Tu fais bien de tenter, je lis tous les commentaires ;)

Pouvons-nous dire qu'il y a la conservation des éléments chimiques lorsque l'on obtient de l'hélium lors de la transformation nucléaire?


Non.
La conservation d’éléments chimiques n’est valable que pour les réactions chimiques (combustion, oxydation, etc.).

Quand on a à faire à une réaction nucléaire, il y a conservation des éléments nucléaires.
Le terme « nucléaire » fait référence au noyau de l’atome. Donc les éléments nucléaires sont donc les protons, les neutrons, les électrons.

Par exemple, et en simplifiant, pour la fusion de l’hydrogène en hélium, les réactions successives sont données sur l’image dans l’article, mais on peut la réduire en ça :

4 H → 1 He

Soit :
4 e⁻ + 4 p → 2 e⁻ + 2 p + 2 n

Considérant qu’un neutron (n) résulte de la combinaison d’un électron (e⁻) et d’un proton (p), l’équation est ici équilibrée en éléments nucléaires.
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Le Hollandais Volant a dit :
@Emilie : Ce qui suit est pour compléter ce que je dis au dessus. Ça fait intervenir des notions de physique quantique plus avancées. Je le sépare du reste, car ça dépasse le niveau du Bac (je ne connais pas ton niveau) :

… en réalité, l’équation précédente n’est pas tout à fait équilibrée. La transformation d’un proton et d’un électron en un neutron :
1 p + 1 e⁻ → 1 n

…ne peut se faire avec juste ceci.
Le nombre de nucléons est respectée, la masse aussi et la charge aussi. Mais l’électron ne fait pas partie de la famille des nucléons comme le proton et le neutron. C’est un lepton.

En plus de la charge et de la masse, il possède d’autres nombres quantiques, comme le nombre leptonique.

Pour que ces nombres quantiques soient également conservés, il a été proposé (dans les années 1930) qu’une autre particule devait être émise, possédant ce nombre leptonique manquant.

La particule manquante a été découverte et elle se nomme le neutrino électronique (car venant d’un électron).

L’équation pour la transformation d’un proton en neutron est donc la suivante :
1 p + 1 e⁻ → 1 n + 1 νe

Pour en revenir à l’équation de l’hydrogène, on a donc ceci :

4 H → 1 He + 2 νe

Enfin, pour vraiment être dans le juste, il faudrait ajouter encore des choses. Tout est sur l’image dans l’article :
— des rayons gamma (qui correspondent à l’énergie libérée)
— des positrons (qui sont l’anti-particule de l’électron). Ce sont un peu des « électrons positifs », qui sont émis pour équilibrer l’équation lors de la première phase (fusion du 1hydrogène en 2hydrogène (ou deutérium)). Ces positrons vont par la suite s’annihiler avec un électron et libérer à nouveau de l’énergie. Les positrons s’annihilant, ils n’apparaissent pas dans l’équation réduite globale.
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Emilie a dit :
@Le Hollandais Volant :
Merci d'avoir répondu! :)
En effet, je passe le Bac dans deux ans, je n'ai donc pas le niveau pour toutes ces notions.
Je comprends beaucoup mieux désormais, vos explications sont très claires et me seront très utiles.
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Serendipity a dit :

27-04-2018
Merci beaucoup pour vos explications, je n’arrivais pas à comprendre comment on passait de l’hydrogène (un proton, pas de neutron) à l’hélium (2 protons, 2 neutrons) dans les supernovas. Maintenant c’est clair, surtout grâce à votre schéma très bien fait.

Je me permets 2 remarques :
1 - Etant donné que le centre de la Terre est constitué surtout par du fer, j’ai tendance à penser que cela a quelque chose à voir avec le fait que les supernovas explosent à partir du fer. Je n’ai trouvé cette explication nulle part sur Internet, mais je suppose que si le fer pouvait continuer à fournir de l’énergie en fusionnant ses atomes, il risquerait d’en faire autant au centre de la Terre, ce qui aurait de graves conséquences.

2 - Au début de votre passionnant article vous écrivez que la Bible semble indiquer que la Terre a 4.000 ans d’existence, ce qui voudrait dire qu’elle a été créée vers 2.018 moins 4.000 ans = vers 1.982 avant Jésus-Christ. Or la Bible raconte des évènements qui ont eu lieu bien avant cette date : (les ancêtres des hébreux [Abraham Isaac Jacob], l’histoire de Joseph trahi par ses frères, la captivité des hébreux en Egypte puis leur libération ….). Donc ça ne colle pas.
D’autre part, si vous lisez le tout début de la Bible (chapitre de la Genèse) il n’est fait mention d’aucune date : La Bible commence ainsi : « Au commencement Dieu créa les cieux et la Terre ».
Les versets suivants indiquent l’aménagement de la Terre, l’apparition des plantes, puis des animaux et enfin l’homme. Mais il n’y a ni date ni durée.

Par contre des théologiens chrétiens ont tenu compte des durées de vie et des durées de certaines périodes mentionnées avec précision dans la Bible. Et une simple addition a permis de situer l’apparition du premier homme en l’an -4.026, d’où la confusion. Le premier homme serait donc né il y a 4.026 + 2.018 = 6.044 ans.
C’est sans doute l’origine du mythe selon lequel la Bible est en contradiction avec les découvertes scientifiques.

Amicalement.

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Le Hollandais Volant a dit :

@Serendipity :

1)
Le fer marque la limite à partir de laquelle la fusion ne libère plus d’énergie mais en consomme.
Donc une étoile qui fusionnerait du fer deviendrait moins stable (d’un point de vue énergétique et entropique) et ceci est à l’encontre de la tendance qu’ont les éléments à "vouloir" aller vers un état d’énergie le plus bas.

Pour ce qui est de la Terre, la masse de la Terre, même si c’était seulement de l’hydrogène, est loin d’être suffisante pour amorcer la fusion nucléaire. Les noyaux d’atomes sont soumis à deux forces contradictoires :
** la pression qui règne au centre de l’astre, et qui pousse les atomes noyaux les uns vers les autres
** la répulsion électrique, parce que les noyaux sont tous positivement chargés.

La limite à partir de laquelle la force de pression dépasse la répulsion est nommée la barrière Coulombienne (en référence aux force de Coulomb, et les interactions électriques des particules).

Une telle pression n’est possible que dans le cœur des étoiles.

Même Jupiter, qui est une planète 317 fois plus massive que la Terre, manque de masse pour amorcer la fusion nucléaire.

2)
Hm… en effet.
J’aurais dû écrire « 4 000 ans avant J.-C. » (donc bien environ 6 000 ans dans le passé. Ce qui compte c’est l’ordre de grandeur : quand les Anciens ont fait leurs calcul pour trouver l’âge du Soleil, en pensait que c’était une boule de charbon (ne connaissant pas les énergies nucléaires, à l’époque) ils sont tombés sur un âge qui correspondant à ce que la Bible disait. C’était un indice qui allait en faveur de la véracité de ce texte :
– Kepler trouva 3993 avant J.-C.
– Newton, 3998 avant J.-C.
– Ussher, 4004 avant J.-C.

(source)

Aujourd’hui on a observé des choses qui prouvent que ces ordres de grandeur sont fausses.
— le rayonnement émis par le Soleil laisse parraître une très forte proportion d’hydrogène, d’hélium (élément nommé en l’honneur d’Hélios, donc du soleil, justement). Ce n’est donc pas du charbon.
— l’âge de la Terre est montré comme ayant environ 4,5 milliards d’années, à partir des mesures isotopiques d’uranium et de plomb. Le même âge a été calculé pour divers astéroïdes (à partir de météores) et quand on donne cet âge au Soleil lui-même, on retombe sur les proportions d’hélium / hydrogène présent dans le Soleil. On retombe donc sur nos pattes.

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Serendipity a dit :

Merci beaucoup pour votre réponse rapide.
En effet, j’aurais dû penser que la masse de la Terre n’est pas suffisante pour amorcer la fusion.
Et pour le mythe de la récente création de la Terre, en effet il est né avant les découvertes fabuleuses sur la formation du système solaire et des galaxies.
Comme le dit un comique (vu à la télé) la Terre est née 4,5 milliards d’années avant Jésus Christ :-)


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