Le « mystère de l’étoile polaire »
Par Raymond Gilbert , Chercheur
Nous ne connaissons que peu de chose de notre galaxie, et nous en connaissons encore moins sur les milliard d’autres galaxies qui nous entourent. La seule chose que nous commençons tout juste à réaliser, c’est que l’univers est encore plus grand qu’on le pensait et qu’il est en expansion.
Dans notre galaxie, on estime maintenant qu’il y a plus de 1,8 milliard d’étoiles , et pour nous de l’hémisphère nord , il y a la fabuleuse étoile polaire (Polaris Aa ). Elle est particulièrement facile à repérer puisqu’elle indique toujours le nord et qu’on peut facilement la trouver dans le ciel grâce à la grande et à la petite ours. Évidemment, cette étoile a déjà fait couler beaucoup d’encre et a été observée par des centaines de million de personnes et par plusieurs milliers de chercheurs à travers le monde. Les télescopes montés dans les satellites nous permettent de raffiner constamment notre analyse des astres. Les principaux télescopes qui ont effectué des relevés sur l’étoile polaire sont Hipparcos, Hubble , et plus récemment Gaia . Fait un peu déroutant, les observations effectuées par les différents satellites n’arrivent pas à déterminer exactement à quelle distance est localisée l’étoile polaire. Ces estimations varient entre 323 et 433 années lumière . Cette incertitude affecte directement l’estimation que l’on peut faire de sa masse. Ainsi, les évaluations de masse de l’étoile polaire varient de 3,11 à 6,8 fois la masse du soleil. Soit du simple au double. Ce sont ces incertitudes qui ont amené la communauté scientifique à parler du mystère de l’étoile polaire.
Rappelons que, présentement, les paramètres connus des étoiles et des astres en général sont établis principalement à partir de l’analyse des ondes lumineuses émises par ces astres, et des parallaxes. L’étoile polaire ne fait pas exception à cette règle.
Ainsi, les différentes analyses concernant l’étoile polaire ont permis de mettre en évidence les éléments suivants :
- L’analyse du spectre lumineux de l’étoile polaire a permis de déterminer que sa longueur d’onde ayant la plus grande densité d’énergie spectrale est de 469 nanomètres. C’est en appliquant la loi de Wien à cette longueur d’onde qu’on peut estimer la température de l’étoile polaire ;
- « L’Absolute Magnitude » (M) qui est une mesure de luminosité a été identifiée comme étant du niveau de – 3,65 ;
- Le ratio le plus probable du rayon de l’étoile polaire par rapport au soleil serait de 37,5 ;
- En revanche, l’unanimité est loin d’être faite sur le ratio de la masse de l’étoile polaire par rapport à celle du soleil.
Dans les calculs que nous avons effectués, nous avons évité d’utiliser des équations qui incluaient les masses. Concentrons d’abord nos calculs sur la température la plus probable de l’étoile polaire. Parmi les différentes équations développées en astronomie, on peut utiliser les équations ci-dessous pour établir la relation entre les ratios de rayon, les ratios de luminosité ainsi que les ratios de température. Pour des raisons pratiques, en astronomie, on utilise des ratios de l’étoile qu’on observe par rapport au soleil :
Eq 1 (R/Rs)=33,3 * (L/Ls)^0,5 * (1000/T)^2
Eq 2 (L/Ls)=(Lo/Ls) * 10^(-M/2,512)
Eq 3 (L/Ls)=(R/Rs)^2 * (T/Ts)^4
Eq 4 T= (Cte Planck * C)/(4,965 * Cte Botzman * Longueur d onde Intensité max )
Ou R = Rayon de l’étoile polaire
Rs = Rayon du Soleil
Lo = Luminosité de référence
L = Luminosité de l’étoile polaire
Ls = Luminosité du Soleil
T = Température de l’étoile polaire
Ts = Température du Soleil
En utilisant l’Eq 2 et une valeur de M= -3,65, on trouve que le ratio de la luminosité de Polaris sur la luminosité du soleil est 2375 (L/Ls).
En insérant cette valeur de L/Ls dans l’Eq 3, on peut déterminer que la seule valeur de température qui peut permettre de résoudre convenablement cette équation est de 6580 degrés Kelvin. Ces résultats sont aussi cohérents avec la résolution de l’Eq 1.
Cependant, cette température ne respecte pas l’Eq 4. Cette équation qui porte le nom de Loi de Wien est extrêmement importante puisqu’elle est tirée de la fameuse équation qui définit que l’énergie d’un photon peut être calculée en multipliant la vitesse de la lumière par la constante de Planck et en divisant le résultat par la longueur d’onde de ce photon. Cette équation illustre donc qu’une onde lumineuse d’une longueur d’onde donnée aura toujours la même énergie peu importe la source lumineuse qui la génère. Ou encore que la température d’une masse qui émet une onde lumineuse d’une longueur d’onde donnée sera toujours la même.
Sachant que les photons sont générés par le saut d’un électron d’un niveau d’énergie vers un autre et que tous les atomes ont des niveaux d’énergie différents, il serait très surprenant que tous les photons émis à une certaine longueur d’onde aient tous la même énergie peu importe la source qui les génère.
Dans le cas de la force gravitationnelle, par exemple, on accepte que celle-ci soit relative à la masse considérée. Ainsi, la force gravitationnelle sur la lune est différente de celle sur la terre ou sur Pluton, ou sur le soleil. La force gravitationnelle de l’étoile polaire est définitivement différente de celle du soleil. Pourquoi n’en serait-il pas de même pour l’énergie des photons?
Opsun Technologies a vérifié récemment, dans le laboratoire du COPL de l’Université Laval, que des photons ayant la même longueur d’onde ont effectivement des énergies différentes en fonction de la source qui les génère. Nous avons démontré que les photons de 590 nanomètres générés par un certain type de lampe à LED nécessitaient un potentiel d’arret de 10,6% plus élevé que celui des photons d’un laser de référence de 589 nanomètres, tandis qu’un autre type de lampe à LED nécessitait 3,4 % moins d’énergie que la référence. De la même façon, nous avons démontré qu’une lampe au sodium nécessitaient un potentiel d’arret ayant 7,6 % plus d’énergie que la référence et qu’une lampe tungstène nécessitait 4,4 % d’énergie de moins que notre référence.
Comme nous en avons fait la démonstration, l’énergie d’un photon à une longueur d’onde donnée dépend de la source qui le génère. Ainsi, on ne peut plus affirmer que tous les photons d’une même fréquence ont nécessairement la même énergie. La constante de Planck est donc relative à la source qui génère le photon, tout comme la force gravitationnelle.
L ‘énergie propagée par le soleil provient majoritairement de la réaction thermonucléaire de son hydrogène. On estime que notre soleil est encore aujourd’hui constitué de 93 % d’hydrogène et de 7 % d’hélium. Dans le cas de l’étoile polaire, le ratio hydrogène / hélium n’est définitivement pas le même. On parle plutôt d’un ratio 70 % / 30 %. Si le ratio d’hydrogène et d’hélium est différent, on ne peut considérer l’étoile polaire de la même façon qu’on considère le soleil. Il est donc tout à fait possible que les photons émis par l’étoile polaire puissent avoir des énergies différentes de ceux générés par le soleil.
Notre exercice nous amène à constater qu’il faut majorer la constante de Planck d’un facteur 1,065 pour estimer correctement la température de l’étoile polaire. En effet, en utilisant la constante de Planck dans l’Eq 4, on trouve une température de 6179 degrés Kelvin pour l’étoile polaire alors que nous estimons plutôt sa température à 6580 degrés.
Si nous désirons obtenir des informations plus précises concernant notre galaxie ainsi que les autres galaxies que nous observons, nous devrons apprendre à définir correctement la constante de Planck qui s’applique spécifiquement à l’astre qu’on observe. Notre vision de l’univers risque de devoir être modifiée afin de s’adapter à cette nouvelle réalité. En ajustant la constante de Planck, on ajustera la température des astres, ce qui modifiera leur masse. Ceci pourrait conduire les astronomes à mieux comprendre la notion de la masse manquante dans l’univers. En effet, si notre mesure de luminosité des astres est bonne, et que la température de l’astre qu’on analyse est plus basse que celle calculée, le rayon de cet astre devra être plus long, ce qui fera augmenter sa masse.
On pourrait d’ailleurs facilement vérifier cette nouvelle réalité en mesurant l’énergie de photons de 469 nanomètres émis par le soleil et à la comparer à celle des photons de 469 nanomètres de l’étoile polaire. On devrait pouvoir constater que l’énergie des photons de l’étoile polaire à 469 nanomètres est 6,5% plus grande que celle d’un photon de même fréquence du soleil, ce qui confirmerait notre hypothèse de départ.
