Le pouvoir de l'imaginaire (167) : reprise - les etoiles à neutrons , réalité ou imagination ?

Reprenant avec un plaisir que vous ne devinez pas le chemin de la physique théorique  je retrouve aujourd’hui l’article de JEROME NOVAK  sur les étoiles à neutrons que j’avais abandonné depuis plus d’une semaine …..Et là nous allons aborder le problème, posé par cet auteur, du mystère de la loi qui régit les assemblages de particules  matérielles quand elles sont toutes semblables ……..

1/ LES SPHERES DURES DE VAN DER WALLS

Bien que vous en ayant succinctement déjà parlé, je me vois forcé d’y revenir …….   Dans le cas de la matière ordinaire solide ou liquide , lorsque vous cherchez  à lui faire atteindre sa densité maximale  , vous avez plusieurs moyens de le faire thermodynamiquement , vous pouvez la refroidir( elle se contracte ) , la comprimer ( vous l obligez à se contracter)  ou encore si elle possède certaines propriétés  vous pouvez agir par des voies plus subtiles .c ‘est par exemple ainsi que Kamerlingh-Onnes à  l’ Université de Leiden a réussi en 1908 par démagnétisation adiabatique   de substances paramagnétique à atteindre la température la plus basse jamais obtenue ……depuis on a fait encore mieux : 450 pK (soit 0,45 nK ou 0,00000000045 K), c'est-à-dire -273,14999999955°C, est le record atteint en 2003 au laboratoire de recherches du Massachusetts Institute of Technology (MIT) par une équipe codirigée par le prix Nobel de physique Wolfgang Ketterle

Vous devez alors vous poser la question : qu’est ce qui empêche dans la matière ordinaire les molécules et les atomes  d’un solide,  si on réussissait à  le refroidir a 0° kelvin ( le zéro absolu)  , d’atteindre sa densité maximale ?????

La réponse est simple : molécules et atomes  sont déjà des assemblages de particules encore plus élémentaires ,plus petites, noyaux et électrons ( qui s’attirent ou se repoussent car chargées électriquement ) . E t pour une température donnée  ces liaisons   ( soit ionique , covalente ou métallique) présentent une valeur statistique de leur distance mutuelle  qui dépend de leurs caractéristiques propres ……

Mais me dites-vous EN DEHORS DE CES CAS DE LIAISONS  qu’est ce qui pourrait empêcher  de forcer  deux atomes voisins NEUTRES   de  se rapprocher encore davantage  , si on trouvait  « un truc » pour baisser leur température ? Nous abordons un problème qui a été traité  par plusieurs physiciens  ( VAN DER WALLS/MARGENAU/LENNARD-JONES /LONDON ) : leurs nuages électroniques  en viendraient à s’ interpénétrer et ils se repousseraient . C’est LONDON qui a appelé cette répulsion comme «  forces de dispersion » et qui les a déterminées …..Je vous présente ci-après un tableau des «  sphères dures »,de VAN DER WALLS  pour quelque éléments connus  …

C’est en somme leur dimension minimale et d’intimité inviolable !

2 /RENTRONS  AUSSI MAINTENANT UN PEU PLUS DANS LA THERMODYNAMIQUE ……

Théoriquement à 0° K, une substance ne contient plus à l'échelle macroscopique l'énergie thermique (ou la chaleur) nécessaire à l'occupation de plusieurs niveaux énergétiques différents . Les particules qui la composent sont supposées toutes dans le même état d'énergie minimale dit état fondamental. Cela DEVRAIT  se traduire par une entropie nulle due à l'indiscernabilité de ces particules dans ce même niveau d'énergie fondamentale et par une totale immobilité au sens mécanique . Or en réalité , on sait que selon la physique quantique, les particules possèdent toujours une quantité de mouvement non nulle non cessible d'après le principe d'incertitude (Heisenberg).

Et pourquoi ????En tendant vers le zéro absolu, les molécules d'un corps auraient leur quantité de mouvement de plus en plus précisément définie , leurs positions auraient tendance à présenter une valeur   indéterminée  intrinsèque résiduelle de plus en plus petite .. En fait, elles tendent vers un état d'énergie minimale  mais non nulle , aux approches du zéro absolu, ; À 0 K, une substance ne contient plus à l'échelle macroscopique l'énergie thermique (ou chaleur) nécessaire à l'occupation de plusieurs niveaux énergétiques microscopiques. Les particules qui la composent (atomes, molécules) sont toutes tombées dans le même état d'énergie minimale (état fondamental).  Mais en fait, on sait que selon la physique quantique, les particules possèdent toujours une quantité de mouvement non nulle d'après le principe d'incertitude (Heisenberg).

En effet, en tendant vers le zéro absolu, les molécules d'un corps auraient leur quantité de mouvement de plus en plus précisément définie et proche de zéro…leurs positions auraient tendance à avoir une indétermination intrinsèque résiduelle de plus en plus petite …Mais comme elles tendent aussi vers l'arrêt, leurs positions tendraient aussi à être précisément définies. En fait, elles tendent vers un état d'énergie minimale ( l’énergie vibratoire de l’oscillateur harmonique dite énergie du point zéro) et ceci explique que  le zéro degré kelvin est la température minimale qui n'est JAMAIS atteinte qu'asymptotiquement

3 :LA MATIERE DÉGÉNÉRÉE / L’ENERGIE DE FERMI

Supposons alors maintenant , comme J.NOVAK  nous le propose  , un mécanisme  de formation d’étoile qui nous amène à un assemblage de particules matérielles     soumises à une valeur de densité énormissime  ( car le cœur de cet assemblage   «  tient » par une interaction gravitationnelle démesurée ) …QUE  PEUT ON PREDIRE  sur la configuration d’un tel astre ???

Le principe d'exclusion de Pauli interdit à deux particules de spin  demi entier d'être dans le même état quantique dont les deux variables sont le spin, et le niveau d'énergie qui correspond à une orbitale autour du noyau atomique. Or, lorsque la densité de la matière augmente,( les liaisons chimiques précédentes n’étant plus envisageables), certaines orbitales finissent par se juxtaposer avec celles d'atomes voisins. La pression de dégénérescence s'exerce lorsque les orbites concernées sont déjà effectivement occupées : les atomes ne peuvent plus se rapprocher davantage sans violer le principe d'exclusion. Ainsi, lorsque la matière est dans un état dégénéré, la pression de dégénérescence empêche la matière de se contracter au-delà d'un seuil de densité. Les électrons opposent une résistance presque insurmontable à toute tentative de compression supplémentaire.

En conséquence   le principe de PAULI   oblige alors les particules à aller chercher ailleurs une place pour se loger  et  compte tenu de la densité elles « s’empilent «  jusqu’au niveau dit de l’énergie de FERMI   donc sur des sites  d’énergie  supérieure en accumulant une valeur d’énergie totale  gigantesque si elles sont en grand nombre voir photo )

….NOVAK  cite pour des densités d’étoiles à neutrons (1,4 fois par exemple la masse solaire contenue dans une sphère de 20 km ) une valeur de 10 puissance 34 joules ce qui correspond à 100 milliards de degrés  en cœur ….. En  réalité , il existe plusieurs ingrédients  c’est à dire des réactions nucléaires commandant la composition   de l’œuvre finale  : en régime de désintégration béta un neutron donne proton ,un électron et un antineutrino  et  une sorte d’inverse la « neutrinisation » se produit aussi : les électrons s'unissent aux protons pour former des neutrons, avec émission de neutrinos. Et ainsi le mur de la dégénérescence électronique peut être surmonté. Lorsque cela arrive et donne l’étoile à neutrons ,ce sont eux, par la dégénérescence qui les affecte à leur tour, qui forment le nouveau mur opposé à la compression. La prochaine fois nous examinerons les détails et on parlera selon  NOVAK   de cuisine italienne !

A suivre