La lumière du Soleil, elle a quitté le Soleil il y a combien de temps ?
― 8 minutes jusqu'à la Terre. Mais des dizaines de milliers d'années pour sortir du Soleil
La lumière du Soleil met environ 8 minutes 20 secondes pour atteindre la Terre depuis la surface solaire. Jusque-là, c'est bien connu. Mais l'énergie à l'origine de cette lumière, née au centre du Soleil, mettrait des dizaines de milliers d'années à atteindre la surface. Les 700 000 km à l'intérieur du Soleil forment un voyage bien plus long que les 150 millions de km parcourus dans l'espace.
Par une belle journée d'automne, vous prenez un bain de soleil près de la fenêtre et vos bras se réchauffent doucement.
Cette lumière a quitté le Soleil il y a environ 8 minutes. Beaucoup ont déjà entendu dire : « on regarde le Soleil comme il était il y a 8 minutes ».
Mais où, et quand, cette lumière est-elle née à l'intérieur du Soleil ? En remontant le fil, on arrive à une époque antérieure aux débuts de l'agriculture humaine.
Deux voyages très différents en durée
Entre la surface du Soleil et la Terre, il n'y a presque rien. La lumière avance à 300 000 km par seconde et traverse les 150 millions de km en environ 8 minutes 20 secondes.
À l'intérieur du Soleil, le gaz est extrêmement dense. La lumière, à peine a-t-elle avancé un peu, percute quelque chose et rebondit dans une direction aléatoire. Elle progresse donc très lentement vers l'extérieur.
La vitesse elle-même est la même dans les deux cas : celle de la lumière. La seule différence, c'est que le trajet est soit rectiligne, soit en zigzag. Cela suffit à multiplier la durée par plusieurs milliards.
Que fait la lumière à l'intérieur du Soleil ?
L'énergie du Soleil naît près du centre, par « fusion nucléaire », quand l'hydrogène se transforme en hélium. Juste après sa naissance, cette énergie prend la forme d'une lumière invisible et très énergétique : le rayon gamma.
Mais l'intérieur du Soleil est comprimé par une densité de gaz extrême. On estime que la lumière ne peut avancer qu'environ 1 millimètre avant de heurter une particule de gaz. À chaque collision, elle est absorbée puis réémise, dans une direction aléatoire.
Regardez la figure 1. Le grand cercle à gauche représente le Soleil ; la ligne fine en zigzag partant du centre illustre le trajet de la lumière. En avançant et reculant sans cesse, elle finit par s'infiltrer peu à peu vers l'extérieur. Ce mouvement ressemble à celui d'une personne ivre qui s'éloigne lentement en titubant : on l'appelle d'ailleurs la « marche d'ivrogne ».
Pourquoi un zigzag ralentit-il autant le trajet ?
En avançant dans une direction aléatoire, il arrive souvent qu'on recule au pas suivant, juste après avoir avancé. Résultat : après 100 pas, on ne s'est en moyenne éloigné du point de départ que d'environ 10 pas. Pour 10 000 pas, on s'éloigne d'environ 100 pas ; pour 1 million de pas, d'environ 1 000 pas.
Autrement dit, plus on veut aller loin, plus le nombre de pas nécessaires augmente selon le « carré » de la distance. Le rayon du Soleil, en unités de pas de 1 millimètre, représente 700 milliards de pas. Élevé au carré, le nombre de pas devient astronomique.
Avec le curseur de la figure 2, faites varier la distance que la lumière peut parcourir en ligne droite avant de rebondir. Cette distance change beaucoup selon la profondeur dans le Soleil, et sa valeur exacte n'est pas connue avec précision. Quelle que soit la valeur choisie, on voit qu'elle reste sans comparaison avec les 8 minutes du voyage extérieur.
La fusion nucléaire produit, en même temps que la lumière, une petite particule appelée neutrino. Comme elle n'interagit presque pas avec le gaz, elle traverse le Soleil en environ 2 secondes et atteint la Terre en un peu plus de 8 minutes. L'observatoire Super-Kamiokande, installé sous terre dans la préfecture de Gifu, capte ces particules pour étudier « le centre du Soleil tel qu'il était il y a 8 minutes ».
En chemin, la lumière est absorbée et réémise d'innombrables fois, et chaque fois, elle devient un peu plus « douce ». Le rayon gamma intense né au centre devient, en arrivant à la surface, de la lumière visible ou de l'infrarouge. Ce n'est pas vraiment « une même particule » qui voyage, mais une énergie transmise de proche en proche.
En résumé
La lumière du Soleil met à peine plus de 8 minutes pour aller de la surface à la Terre. Mais son énergie mettrait des dizaines de milliers d'années à s'infiltrer du centre jusqu'à la surface du Soleil, car elle rebondit sans cesse dans un gaz très dense, en « marche d'ivrogne ». Le rayon de soleil qui réchauffe votre bras aujourd'hui transporte une énergie née, au cœur du Soleil, à l'époque des glaciations.
Les 700 000 km à l'intérieur du Soleil sont plus « loin » que les 150 millions de km de l'espace.
Un chemin qui ne peut pas aller tout droit s'allonge comme le carré de la distance.
Comment on a su, pour la première fois, que la lumière est si rapide : « Comment a-t-on mesuré pour la première fois la vitesse de la lumière ? ». Et pourquoi le Soleil peut briller pendant des milliards d'années : « Pourquoi les étoiles brillent-elles pendant des milliards d'années ? ».
- Tracez un point au centre d'une feuille à carreaux : c'est le point de départ. Prenez deux pièces identiques.
- Lancez les deux pièces : pile-pile, avancez d'une case vers le haut ; face-face, vers le bas ; pile-face, vers la droite ; face-pile, vers la gauche. Tracez une ligne à chaque fois.
- Répétez cent fois, puis mesurez combien de cases vous séparent du point de départ. En faisant la moyenne sur plusieurs essais, on obtient en général environ 10 cases.
Après 100 pas, on ne s'éloigne que de 10 cases : voilà, en miniature, pourquoi la lumière a tant de mal à sortir du Soleil. Même avec 400 pas, la distance ne double qu'à peu près, jusqu'à 20 cases.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules et liens avec les programmes scolairesDu collège aux matières universitaires spécialisées, le niveau de chaque partie est indiqué
- CollègeProgramme de sciences au collège
- LycéeProgramme de « physique » et de « sciences de la Terre » au lycée
- Lycée+Approfondissement lycée, ou encadré de manuel
- UniversitéMatière spécialisée universitaire non enseignée au lycée (astrophysique, physique statistique)
- RechercheSujet encore à l'étude, pas encore enseigné comme « établi » à l'université
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Vitesse de la lumière : dans le vide, environ 300 000 km par seconde. Les 150 millions de km entre le Soleil et la Terre sont parcourus en environ 500 secondes.
- Marche aléatoire (random walk) : un déplacement dont la direction change aléatoirement à chaque pas. Après N pas, la distance moyenne au point de départ est d'environ √N pas.
- Zone radiative : couche entourant le centre du Soleil, où l'énergie est transportée lentement vers l'extérieur sous forme de lumière. Plus à l'extérieur, dans la zone convective, l'énergie est transportée par des mouvements de gaz qui remontent.
CollègeLycéeVérification par le calcul : combien de temps la lumière met-elle à sortir du Soleil ?
Notons ℓ la longueur d'un pas et R le rayon du Soleil. Nous estimons le temps nécessaire pour s'éloigner de R en marche d'ivrogne, et le comparons au temps du trajet rectiligne jusqu'à la Terre.
| En symboles | t ≒ R² ÷ ( ℓ × c ) ＝ ( R ÷ c ) × ( R ÷ ℓ ) (comparaison : trajet rectiligne, t ＝ d ÷ c) |
| En mots | durée ＝ « temps pour que la lumière parcoure R en ligne droite » × « nombre de pas de ℓ dans R » |
| Origine de la formule | Dans une marche aléatoire, après N pas on s'éloigne de √N × ℓ. Pour atteindre R, il faut N ＝ ( R ÷ ℓ )² pas. La distance réellement parcourue est N × ℓ ＝ R² ÷ ℓ, et en la divisant par la vitesse de la lumière c, on obtient la durée |
| Symbole | Signification et unité |
| t | Durée (secondes) |
| R | Rayon du Soleil (env. 700 000 km) |
| ℓ | Distance parcourue en ligne droite par la lumière (ici, on suppose 1 mm) |
| c | Vitesse de la lumière (env. 300 000 km/s) |
| d | Distance Soleil-Terre (env. 150 000 000 km) |
| Rayon du Soleil R | env. 700 000 km |
| Vitesse de la lumière c | env. 300 000 km/s |
| Distance d'un pas ℓ (ordre de grandeur) | 1 mm (varie beaucoup selon la profondeur) |
| Soleil-Terre d | env. 150 000 000 km |
| 1 an | env. 31 500 000 s |
| Voyage extérieur : durée jusqu'à la Terre (s) | 150000000 ÷ 300000 ＝ 500 |
| En minutes | 500 ÷ 60 ≒ 8,3 |
| Durée pour parcourir R en ligne droite (s) | 700000 ÷ 300000 ≒ 2,33 |
| R en mm (＝ nombre de pas dans R) | 700000 × 1000000 ＝ 700000000000 |
| Voyage intérieur : durée jusqu'à la surface (s) | 2,33 × 700000000000 ＝ 1631000000000 |
| En années | 1631000000000 ÷ 31500000 ≒ 51778 |
| Rapport au voyage extérieur | 1631000000000 ÷ 500 ＝ 3262000000 |
Avec un pas de 1 mm, la lumière met environ 52 000 ans à sortir du Soleil, soit environ 3,3 milliards de fois les 8 minutes qui la séparent de la Terre. Par ailleurs, les 2,3 secondes que met la lumière à parcourir R en ligne droite correspondent presque exactement au temps que met un neutrino à traverser le Soleil.
LycéeLycée+Pourquoi un pas si court ?
LycéeLe centre du Soleil atteint environ 15 millions °C, avec une densité supérieure à 100 fois celle de l'eau. Les atomes y sont dépouillés de leurs électrons et forment un « plasma », mélange dense d'électrons et de noyaux. La lumière interagit sans cesse avec ces particules et ne peut donc pas avancer en ligne droite.
Lycée+La difficulté de progression de la lumière se mesure par l'« opacité ». Plus on est proche du centre, plus le gaz est dense et plus le pas est court. À l'inverse, dans la zone convective externe, l'énergie n'est plus transportée par la lumière mais par des remontées de gaz, un trajet qui prendrait quelques mois seulement. La majeure partie de la durée du voyage se joue dans la zone radiative interne.
UniversitéDiffusion radiative et temps de diffusion des photons
En astrophysique universitaire, ce processus est traité comme une « diffusion radiative », l'écoulement d'énergie étant décrit par une équation de diffusion. La longueur d'un pas est appelée « libre parcours moyen » et dépend de l'opacité (opacité moyenne de Rosseland) et de la densité. En intégrant ces valeurs selon la profondeur dans un modèle standard du Soleil, on obtient un « temps de diffusion des photons » qui varie, selon les études, de 10 000 à plus de 100 000 ans. L'estimation de Mitalas et Sills (1992) donne une valeur d'environ 170 000 ans.
📖 Dérivation des formules et compléments : marche aléatoire (Wikipédia japonais) ／ zone radiative (Wikipédia japonais)
RechercheCe qui n'est pas encore clairement établi
- Quelle est la vraie « durée du voyage » ? Le calcul de l'opacité repose sur le comportement des atomes à haute température et haute densité, difficile à vérifier expérimentalement. C'est la principale source de l'incertitude sur les valeurs.
- Composition interne du Soleil. La quantité d'éléments déterminée par observation de la surface ne s'accorde pas toujours bien avec la structure interne déduite des oscillations du Soleil (héliosismologie). Une révision de l'opacité est l'une des pistes envisagées pour résoudre cet écart.
- Décalage entre le « maintenant » du centre et celui de la surface. L'observation des neutrinos révèle l'activité de fusion nucléaire au centre avec seulement 8 minutes de retard, mais relier précisément cela à la luminosité de surface reste un sujet de recherche actif.
Le contenu de cet article reflète donc « ce qu'on comprend à ce jour ». Le chiffre de « dizaines de milliers d'années » doit être pris comme un ordre de grandeur.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Partie de l'article concernée |
|---|---|---|
| Collège | Sciences « système solaire et étoiles », calcul de vitesse | Calcul des 8 minutes jusqu'à la Terre |
| Lycée | Sciences de la Terre « structure et énergie du Soleil » | Fusion nucléaire, zone radiative et zone convective |
| Lycée+ | Mathématiques « probabilités » (approfondissement) | Marche d'ivrogne : √N pas après N pas |
| Université | Astrophysique, physique statistique | Diffusion radiative, libre parcours moyen, temps de diffusion des photons |
| Recherche | Physique de l'intérieur stellaire, astronomie des neutrinos | Incertitude sur l'opacité, problème de composition solaire |
| ― | Lien avec le quotidien | L'« âge » de la chaleur ressentie au soleil |
- Mitalas, R. & Sills, K. R. (1992) On the photon diffusion time scale for the sun. The Astrophysical Journal.
- Institut de recherche sur les rayons cosmiques de l'Université de Tokyo, Observatoire souterrain de Kamioka (Super-Kamiokande) (東京大学宇宙線研究所 神岡宇宙素粒子研究施設)
- Vitesse de la lumière (Wikipédia japonais)
- Neutrino (Wikipédia japonais)
- Observatoire astronomique national du Japon (dir.), « Rika Nenpyō » (理科年表), Maruzen (valeurs du rayon et de la distance du Soleil)
※Cet article est une vulgarisation scientifique à usage général. Les valeurs données sont des ordres de grandeur destinés à faciliter la compréhension. Le temps que met la lumière à sortir du Soleil vers la surface varie fortement selon les hypothèses de calcul, et les chercheurs eux-mêmes proposent des valeurs très différentes. Évitez de regarder le Soleil directement : cela peut abîmer les yeux.