Bonjour à tous! Je tenais à ce que mon premier article vous donne un panorama du terrain couvert par la physique et c’est ainsi que je vous propose de nous appuyer sur quelques images.

L’infiniment grand et l'effondrement d’une étoile

L' image 1 correspond à une naine blanche (point blanc au milieu de l’image) entourée d'une nébuleuse planétaire (joli halo vert-orange-rouge), reste de l’effondrement d’une étoile peu massive comme le Soleil. Plus précisément, une naine blanche est un astre dont la masse est de l’ordre de la masse du Soleil mais dont le volume est proche de celui de la Terre. La densité de matière y est donc incroyable! Pour vous donner une idée, une tasse à café de la matière composant cette naine blanche pèserait le même poids qu’un éléphant!

Ces naines blanches constitueraient la forme résiduelle en fin de vie des étoiles dont la masse est comprise entre 0.07 et 10 fois la masse du Soleil (ce qui concerne donc notre bon vieux Soleil) et qui n’ont pas explosé en supernova. À la fin de leur vie, ces étoiles ont fusionné la plus grande partie de leur hydrogène en hélium (des atomes d'hydrogène fusionnent entre eux pour créer entre autres de l'hélium). Privées de combustible pour maintenir les réactions thermonucléaires qui la stabilisaient, elles s’effondrent sur elles-mêmes sous l’effet de la gravitation. La pression et la température du cœur augmentant, la fusion de l’hélium peut commencer, produisant des éléments plus lourds et en particulier du carbone. Cette énergie nouvelle fait gonfler l’étoile, qui devient alors une géante rouge (ce qui sera la phase où le Soleil détruira normalement notre belle planète, dans quelques milliards d'années).

Cependant, l’hélium est très rapidement consommé et lorsque sa fusion se termine, la contraction de l’étoile reprend. Sa faible masse ne permettant pas d’atteindre des températures et des pressions suffisantes pour démarrer la fusion du carbone, le cœur s’effondre en une naine blanche (point blanc au milieu de l’image), tandis que les couches externes de l’étoile rebondissent violemment sur cette surface solide et sont projetées dans l’espace sous forme de nébuleuse planétaire (joli halo vert-orange-rouge). Le résultat de ce processus est donc une naine blanche très chaude (sa température est comprise entre 0.7 et 27 fois celle du Soleil) entourée d’un nuage de gaz composé essentiellement de l’hydrogène et de l’hélium (et d’un peu de carbone) non consommés lors de la fusion. Il a par ailleurs été découvert qu'une naine blanche suffisamment froide abritait un cœur fait de carbone cristallisé, soit du diamant !

L’infiniment petit et la nature surprenante de l’électron

L' image 2 et l' image 3 proviennent quant à elles de travaux très récents qui permettent de voir pour la première fois la structure électronique d’un atome (véritable article scientifique en anglais)! Laissez-moi m’expliquer : vous savez sûrement que toute matière est faite d’atomes (hydrogène, hélium, carbone, oxygène, fer, argent, or etc...) composés d’un noyau de protons et de neutrons autour duquel gravitent des électrons. «Gravitent»? Le mot est en fait très mal choisi... On connait en effet l’atome par l’intermédiaire du modèle présenté à l' image 4 . Les électrons sont en orbite autour du noyau, de la même façon que la Lune tourne autour de la Terre. Cette représentation de l’atome proposée par le brillant physicien danois Niels Bohr, prix Nobel de physique en 1922, date de 1913 et se révèle en fait complètement dépassée aujourd’hui...

Tout d’abord, le noyau est bien plus petit par rapport à la taille de l’atome : il est en réalité 100 000 fois plus petit que l’atome. Enfin, les électrons ne suivent pas du tout des trajectoires autour des noyaux et nous le savons grâce à la mécanique quantique, cette théorie dont les débuts remontent à 1926 et qui permet de comprendre l’infiniment petit. Ce bouleversement conceptuel du début du 20ème siècle a fait douter plus d’un physicien depuis, notamment le célèbre Albert Einstein, car elle ne cesse de défier l’intuition. Nous verrons sûrement plus tard de nombreuses bizarreries de ce monde quantique mais attardons-nous pour l’instant sur ce que l’on appelle la dualité onde-corpuscule de l’électron.

On imagine souvent l’électron comme une particule ou encore une sorte de balle de tennis. La mécanique quantique nous apprend en fait que l’électron est à la fois une particule ET une onde. Au sein d’un atome, cette onde est alors libre d’adopter certaines formes comme le montrent l' image 2 et l' image 3 . On y voit en effet l’électron d’un atome d’hydrogène (composé simplement d’un proton et d’un électron). Oui, cet espèce de nuage EST l’électron. Sur l' image 2 , on voit que l’électron prend la forme d’une boule tout autour du noyau tandis que sur l' image 3 , on a utilisé un champ électrique pour donner de l’énergie à l’électron qui peut dès lors s’éloigner un peu plus du noyau et adopter une forme un peu différente.

Vous avez désormais un avant-goût des surprises que nous réserve la nature, que ce soit à l’échelle des étoiles ou à l’échelle des atomes. Notez également la ressemblance entre les différentes images, malgré l’énorme différence entre les deux systèmes physiques. J’espère que je vous laisse un peu rêveur ou rêveuse à la fin de ce premier article, que vous ayez la tête dans les étoiles ou au cœur de la matière. N’hésitez pas à me laisser vos commentaire et/ou questions, je vous dis à très bientôt!

Bien à vous,

Alexis