La température dans l’univers

La température en physique est une grandeur qui exprime quantitativement le degré d’échauffement de différents corps. Étant donné que le champ d’étude inclut souvent non seulement les solides, mais aussi les liquides et les gaz, il existe un concept plus général de la température en tant que degré d’énergie cinétique des particules.

Unité de mesure de la température

L’unité de mesure de la température est le Kelvin (abrégé K), dans lequel le zéro absolu est considéré comme le point de référence — l’état de la matière où l’énergie cinétique des particules est nulle. Dans la vie quotidienne, l’unité la plus couramment utilisée est le Celsius (abrégé °C), pour lequel le point de référence correspond au point de congélation de l’eau. Un degré Celsius est égal à un Kelvin et correspond à 1/100e de la différence de température entre le point de congélation et le point d’ébullition de l’eau. Le zéro absolu correspond à-273,15 degrés Celsius.

Du point de vue de la physique quantique, à la température du zéro absolu, il n’y a pas de fluctuations, qui sont dues aux propriétés quantiques des particules et au vide physique qui les entoure.

Température moyenne annuelle

Notre planète se trouve dans la zone de vie de son étoile. La zone de vie est l’espace suffisamment éloigné de son étoile pour que de l’eau sous forme liquide puisse exister à la surface de la planète. Les météorologues modernes (spécialistes du climat et de la météo de la Terre) utilisent le plus souvent des mesures de la température de l’air de surface à l’aide de thermomètres à mercure ou à alcool (le point de congélation du mercure et de l’alcool est respectivement d e-38,9°C et d e-114,1°C).

Température à la surface de la Terre

Selon la méthodologie internationale, les mesures doivent être effectuées à une hauteur de deux mètres de la surface du sol, dans une boîte météorologique spéciale, à l’écart du paysage anthropique. La température moyenne annuelle de l’air à la surface de la Terre est de +14°C. Cependant, dans certaines parties de la planète, la température de l’air en surface diffère considérablement de cette valeur en raison des différentes périodes de l’année ou de la journée, de la latitude géographique, de la distance par rapport à l’océan, de l’altitude au-dessus du niveau moyen de la mer et de la proximité de zones volcaniques.

Plage de température de la Terre

La plus faible différence de température de l’air de surface est observée dans les régions équatoriales de l’océan mondial. Ainsi, sur l’île Christmas, située dans la partie équatoriale centrale de l’océan Pacifique, les variations saisonnières de température se limitent à une fourchette de 19 à 34 degrés Celsius. Toutefois, c’est à Garapan, sur l’île de Saipan (îles Mariannes), que l’on estime que le climat est le plus homogène. Pendant 9 ans, de 1927 à 1935, la température la plus basse y a été enregistrée le 30 janvier 1934 (+19,6°C) et la plus haute le 9 septembre 1931 (+31,4°C), soit une différence de 11,8°C.

Les continents se caractérisent par des gradients de température beaucoup plus élevés. Dans la Vallée de la Mort (Californie), on a enregistré +56,7°C le 10 juillet 1913 et +57,8°C le 13 juillet 1922 (cette valeur a été contestée par la suite). À la station russe de Vostok, une température d e-89,2° C a été observée le 21 juillet 1983. L’écart de température le plus important a été enregistré à la station russe de Verkhoyansk — 106,7° C : d e-70° C à +36,7° C. La température moyenne annuelle la plus basse a été enregistrée en 1958 au pôle Sud (-57,8°C). La température moyenne annuelle la plus élevée a été enregistrée à Ferandi (Éthiopie) dans les années 60 du 20e siècle (+34°C).

La température à la surface de la Terre se caractérise par des valeurs encore plus extrêmes, car la surface sombre peut atteindre des températures beaucoup plus élevées que l’air pendant la journée. La Vallée de la Mort, en Californie, a enregistré +93,9°C le 15 juillet 1972. Des températures de surface aussi élevées peuvent probablement provoquer des pics anormaux à court terme de la température de l’air en cas de vents forts (en juillet 1967, une forte augmentation de la température de l’air jusqu’à +87,7°C a été enregistrée à Abadan, en Iran).

Répartition des températures maximales annuelles de la Terre

La surface de notre planète est une source de rayonnement électromagnétique thermique, dont le maximum se situe dans la région infrarouge du spectre (selon la loi du décalage de Wien).

Grâce à cette propriété, les satellites géocroiseurs peuvent mesurer la température de n’importe quel point de la surface de la Terre, contrairement aux stations météorologiques au sol.

Température du plateau d’Argus

L’analyse des images satellites Aqua de 2009 à 2013 a permis de déterminer que la température maximale de surface dans le désert iranien a atteint +70,7 °C en 2005.

La distribution statistique des températures maximales annuelles de surface sur la planète montre quatre groupes (glaciers, forêts, savanes/steppes et déserts).

Une autre analyse des images satellites de 1982 à 2013 a montré que les températures minimales dans l’Antarctique peuvent atteindr e-93,2 °C.

Bien que la surface de la Terre reçoive en moyenne 30 000 fois plus d’énergie du soleil que l’intérieur de la Terre, l’énergie géothermique est un élément important de l’économie de certains pays (par exemple l’Islande).

Le forage du puits record de Kola a montré que la température atteint +220°C à une profondeur de 12 kilomètres.

Analyses d’images satellites Aqua

L’isotherme +20 °C dans la croûte terrestre s’étend à des profondeurs allant de 1500-2000 m (régions de pergélisol) à 100 m et moins (régions subtropicales), et dans les tropiques, il remonte à la surface. Dans les régions montagneuses, les sources thermales ont des températures allant jusqu’à +50…+90 °C, et dans les bassins artésiens, à des profondeurs de 2000-3000 m, l’eau a des températures de +70…+100 °C et plus.

Le point où la température minimale a été observée n’est pas la partie la plus élevée du glacier : sa hauteur est d’environ 3900 mètres contre 4093 mètres au Plateau A (Argus).

Des analyses antérieures d’images satellite Aqua de 2004 à 2007 confirment que les températures hivernales les plus froides sont observées sur la crête B, qui relie le plateau A et le plateau F (Fuji).

Dans les zones de volcanisme actif, les sources thermales apparaissent sous la forme de geysers et de jets de vapeur amenant des mélanges vapeur-eau et des vapeurs à la surface depuis des profondeurs de 500 à 1000 m, où l’eau est à l’état surchauffé (+150…+200 °C). Les cheminées hydrothermales sous-marines («fumeurs noirs») ont des températures pouvant atteindre +400 °C. Dans les volcans, la température de la lave peut atteindre +1500 °C.

Sur la base d’expériences en laboratoire, de données sismologiques et de calculs théoriques, on pense que les températures à l’intérieur de la planète peuvent dépasser 7 000 degrés Celsius. Plusieurs variantes de la température théorique des couches profondes de la planète.

Si notre planète n’avait pas d’atmosphère, alors, selon la loi de Stefan-Boltzmann, sa température moyenne ne serait pas de +14 °C, mais d e-18 °C. La différence s’explique par le fait que l’atmosphère terrestre absorbe une partie du rayonnement thermique de surface (effet de serre). Cela explique en grande partie pourquoi la pression et la température diminuent à mesure que l’on s’élève au-dessus de la surface de la planète.

Le maximum de température dans la stratosphère (à une hauteur d’environ 50 km) s’explique par l’interaction de la couche d’ozone avec le rayonnement ultraviolet du soleil. Le pic de température dans l’exosphère (ionosphère) est lié à l’ionisation des molécules des couches raréfiées externes de l’atmosphère sous l’action du rayonnement solaire. Les fluctuations journalières de cette couche peuvent atteindre plusieurs centaines de degrés. L’exosphère est l’endroit où l’atmosphère terrestre se volatilise dans l’espace.

Fluctuations de température sur d’autres planètes du système solaire

La Lune est un bon exemple de fluctuations de température si la Terre n’avait pas d’atmosphère. Selon les observations du satellite LRO, la température de surface de notre satellite varie de +140 °C dans les petits cratères équatoriaux à-245 °C au fond du cratère polaire Hermite. Cette dernière valeur est encore plus basse que la température de surface mesurée d e-245 °C pour Pluton ou tout autre corps céleste du système solaire pour lequel des mesures de température ont été effectuées. Les fluctuations de température sur la Lune atteignent donc 385 degrés Celsius. Selon cette mesure, la Lune est le deuxième corps céleste du système solaire après Mercure.

Fluctuations de la température à la surface de la Lune

Les mesures des instruments laissés par les équipages des missions Apollo 15 et Apollo 17 ont montré qu’à une profondeur de 35 cm, les températures sont en moyenne 40-45 degrés Celsius plus élevées qu’à la surface. À une profondeur de 80 cm, les variations saisonnières de température disparaissent et la température constante est proche d e-35 °C. On estime que la température du noyau de la Lune est de 1600-1700 K. Des températures beaucoup plus élevées peuvent apparaître lors d’impacts d’astéroïdes.

Profil de température de Vénus

C’est ainsi que l’on a trouvé dans d’anciens cratères terrestres des fianites, dont la formation à partir du zircon nécessite des températures supérieures à 2640 kelvins. De telles températures sont impossibles à atteindre par le volcanisme terrestre.

La planète la plus proche de nous, Vénus, se caractérise par une atmosphère anormalement dense, avec une pression équivalente à 90 atmosphères terrestres. En raison du monstrueux effet de serre, la température de surface de la planète atteint 480°C, ce qui est plus élevé que sur Mercure.

Les différences saisonnières dans les profils de température de Vénus ne sont perceptibles qu’à haute altitude.

Les températures mesurées dans l’hémisphère sud par Venus Express entre mai 2006 et décembre 2007 étaient comprises entre 422 °C et 442 °C. D’autres mesures effectuées le 10 août 2006 montrent que la température à la surface de la planète varie entre 453 °C et 473 °C. Parallèlement, les observations de la station Venus Express ont permis de détecter des points chauds atteignant 830 °C (la température moyenne à la surface de la planète est estimée à 473 °C), qui pourraient être des coulées de lave et témoigner d’une activité volcanique en cours.

Profil de température de l’atmosphère de Vénus

Le point culminant de Vénus serait les monts Maxwell, ainsi que l’endroit le plus froid de la planète. La température y est d’environ 380 °C. D’après les mesures effectuées en 1985 par les ballons de deux stations soviétiques Vega, la température à une altitude de 55 km est d’environ 40 °C à une pression de 0,5 atmosphère terrestre.

La température de Mercure varie de 430 °C à 280 °C pendant la journée, selon qu’elle se trouve au péricentre ou à l’apocentre de son orbite, et descend à — 170 °C pendant la nuit. Mais au fond des cratères polaires, la température ne peut être que de — 220 °C, ce qui permet d’importantes accumulations de glace. Les accumulations de glace dans les cratères polaires de Mercure ont été découvertes dans les années 90 du 20e siècle à l’aide d’un radar, qui était impuissant pour une découverte similaire sur la Lune.

Comparaison des températures de surface des différentes planètes

Pour se protéger des rayons du soleil, un écran protecteur spécial en céramique a été installé sur le premier satellite de Mercure, la station Messenger. Grâce à cet écran, la température des systèmes embarqués de la sonde était de 20 °C, tandis que la partie avant de l’écran chauffait jusqu’à 370 °C. Mais «Messenger» n’était pas le vaisseau spatial le plus «résistant à la chaleur». Dans les années 70 du 20e siècle, les stations ouest-allemandes «Helios» s’approchaient du Soleil à une distance record, où l’appareil pouvait également chauffer jusqu’à 370 °C (11 constantes solaires sur Terre). Des miroirs spéciaux de la station empêchaient les panneaux solaires de chauffer au-delà de 165 °C, et le régime de température des systèmes embarqués était limité à une fourchette comprise entr e-10 °C et 20 °C. En vol, la température la plus élevée enregistrée sur Helios-B a été de 150 °C.

La future Parker Solar Probe de la NASA sera soumise à des tests encore plus difficiles. Au péricentre de son orbite, la sonde sera affectée par 520 constantes solaires terrestres à la fois. Cela équivaut à une température de 1 400 °C. Un bouclier céramique spécial de 11 cm d’épaisseur permettra à la station de maintenir des températures ambiantes. Il n’y aura pas de panneaux solaires sur la sonde, l’alimentation électrique sera assurée par des générateurs au plutonium.

De nombreux objets connus sont également capables de s’approcher du Soleil à une distance record. Parmi eux, l’astéroïde Phaethon, dont la température du péricentre peut atteindre 750 °C. En 2009, l’instrument STEREO-A a enregistré une multiplication par deux de la luminosité apparente de Phaethon à son péricentre.

La température moyenne à la surface de Mars est d’environ — 55 °C. Les températures maximales enregistrées sont de +35°C (d’après les données du rover Spirit au cratère Gusev sur Mars) et les températures minimales sont d e-153°C (températures aux pôles d’après les données des stations orbitales). Comparaison des profils de température des atmosphères de Mars, de la Terre et de Vénus.

Profils de température des atmosphères de Vénus, de la Terre et de Mars

Les premières stations de survol du système de la plus grande planète du système solaire ont montré que le rayonnement infrarouge (et par conséquent la température de l’atmosphère) de Jupiter est 60 % plus élevé que les modèles théoriques qui ne prennent en compte que le chauffage par le Soleil.

La température du noyau de Jupiter

Lorsque la sonde atmosphérique de la station Galileo est descendue en 1995, elle a transmis des données jusqu’à une profondeur de 160 kilomètres à partir de la couche nuageuse supérieure, où sa température a atteint 160 °C et une pression de 22 atmosphères terrestres. Profil de température de l’atmosphère de Jupiter.

Le satellite Io a été l’une des plus grandes surprises des sondes spatiales explorant le système de Jupiter. Sa surface est la plus jeune du système solaire et ne comporte pas de cratères d’impact. Les mesures de la station Galileo ont montré que les volcans de ce satellite atteignent des températures d’au moins 1340°C. Dans le même temps, les mesures de la face nocturne de Io dans les régions polaires montrent des surfaces dont la température n’est que de 90-95 K. Sur un autre satellite «géologiquement jeune» de Jupiter, Europe, l’ampleur des anomalies thermiques possibles est limitée à quelques degrés seulement à proximité d’hypothétiques geysers.

Profil de température de l’atmosphère de Jupiter

En général, les températures à la surface d’Europe varient de 110 K à l’équateur à 50 K aux pôles.

Contrairement à Europa sur Encelade, satellite de Saturne, la station Cassini a réussi à enregistrer une anomalie thermique dans la zone des geysers détectés. Les températures dans la zone des failles des geysers atteignent 157 K contre 85-90 K dans la zone environnante. Les calculs théoriques indiquent que la température à l’intérieur du petit satellite pourrait atteindre 1000 K

Un autre satellite intéressant du système de Saturne est Titan, le seul satellite du système solaire doté d’une atmosphère. L’atterrissage de la sonde Huygens a permis de déterminer la température à la surface de Titan et de construire son profil de température.

Les mesures de Cassini en 2004-2014 ont montré que la température à la surface de Titan ne varie que de 3,5 degrés : de 89,7 ± 0,5 K au pôle sud en hiver à 93,65 ± 0,15 K dans les régions équatoriales :

Les mesures de Voyager-2 nous permettent d’estimer la température d’un autre satellite géologiquement actif, Triton, dans le système de Neptune. La température de surface de Triton est proche de 38 K, et la température de ses couches supérieures est d’environ 95+/-5.

On pense aujourd’hui que Triton est plus froid que la planète naine Pluton, qui se trouve presque à la même distance du Soleil. Des observations submillimétriques réalisées en 2005 ont permis d’estimer les températures moyennes à la surface de Pluton et de Charon à 42±4 K et 56±14 K, respectivement (Charon est plus chaud en raison de son albédo de surface plus faible). Les observations des couvertures stellaires montrent que les températures maximales dans l’atmosphère de Pluton sont observées à une altitude d’environ 30 km : 110 K.

L’objet le plus éloigné du système solaire connu à ce jour est la planète naine Erida. Les observations du rayonnement thermique d’Erida avec les télescopes Herschel, Spitzer et ALMA montrent que sa température de surface est inférieure à 30 K. Parallèlement, les mêmes observations indiquent que la température de surface de Dysnomia, la compagne d’Erida, dépasse 40 K en raison de son albédo plus élevé.

Température des étoiles

Notre Soleil est une étoile de la séquence principale de classe spectrale G. La température moyenne de sa surface est d’environ 5778 K, et à l’intérieur du noyau, elle atteint 15,7 millions de K selon les calculs théoriques.

Cependant, la température effective du vent solaire est de 0,8 million de K, celle de la couronne solaire de 1 à 3 millions de K et celle d’une éruption solaire peut atteindre plusieurs dizaines de millions de degrés (le maximum de leur émission se situe dans les rayons X).

Le Soleil est une étoile parfaitement ordinaire dans l’Univers. La température de surface des étoiles ordinaires varie de 2300 K pour les naines rouges à 50 000 K pour les naines bleues. Il existe cependant une classe spéciale d’étoiles, les étoiles de Wolf-Raye, dont la température de surface peut dépasser 50 000 K. Le nombre d’étoiles connues de ce type dans le groupe local de galaxies n’est peut-être que de quelques milliers. Actuellement, environ 500 étoiles de ce type sont connues dans notre galaxie, 150 dans les nuages de Magellan, 206 dans M33 et 154 dans M31. Ces étoiles se caractérisent par une forte densité et la présence de coquilles rejetées, semblables à celles des nébuleuses planétaires. On pense qu’elles représentent le dernier stade de l’évolution des étoiles massives simples avant l’explosion d’une supernova. L’étoile la plus chaude d’entre elles est WR 102, dont la température est estimée à 210 000 K et la luminosité à un demi-million de celle du Soleil. La masse de cette étoile est estimée à 20 masses solaires avec un rayon inférieur à 0,4 rayon solaire.

Matériel sur le sujet

Les calculs montrent que WR 102 (constellation du Sagittaire, distance de 5 000 parsecs de la Terre) pourrait devenir une supernova dans 1 500 ans.

À l’autre extrême, on trouve les naines brunes, dont les températures peuvent être inférieures à celles des planètes du système solaire. Une analyse des données du télescope WISE a permis de découvrir une seule naine brune, WISE 0855-0714, à 2,2 parsecs de la Terre, dont la température est la plus basse jamais enregistrée : 225-260 K. Sa masse est estimée à 3-10 masses de Jupiter.

Parallèlement, on connaît désormais des planètes dont la température de surface est supérieure à celle de nombreuses étoiles. La découverte de la planète en transit WASP-33b a été publiée en 2010. Les observations d’éclipses secondaires de cette planète ont permis de déterminer que sa température était de 3358±165 K. En 2017, la découverte d’une exoplanète en transit encore plus chaude, KELT-9b, a été publiée. La température de cette planète est estimée à 4600 K, ce qui correspond à la température de surface des étoiles de classe spectrale K4. La planète KELT-9b est donc plus chaude que la plupart des étoiles de la galaxie.

En outre, la découverte d’une autre planète extrême, Kepler-70b, a été publiée en 2011. Cette planète a été découverte grâce à l’enregistrement de pulsations périodiques dans la luminosité d’une sous-étoile chaude (27730 ± 270 K) évoluant en naine blanche. Selon les calculs théoriques, la planète en orbite autour de l’étoile pendant 6 heures devrait avoir une température de surface d’au moins 6 000 K. L’exemple opposé est la découverte récente de la naine brune HD 4113C, qui tourne autour d’une étoile proche semblable au soleil en quelques dizaines d’années et a une température de 300 K.

Les restes stellaires ont des températures encore plus élevées. Ainsi, en 2015 a été publiée la découverte de la naine blanche la plus chaude, RX J0439.8-6809, avec une température de surface de 240 000 K. Les théoriciens pensent qu’il y a un millier d’années, cette étoile était encore plus chaude — sa température de surface était de 400 000 K. À titre de comparaison, la température maximale de notre Soleil dans le futur ne dépassera pas 200 000 K. Après avoir atteint la température maximale, les naines blanches commencent à se refroidir lentement : théoriquement jusqu’au zéro absolu. En 2014, une naine blanche dont la température est estimée à moins de 3 000 K a été découverte.

Températures des étoiles à neutrons

Les restes d’étoiles les plus exotiques, les étoiles à neutrons, ont des températures de surface encore plus élevées. Le maximum de leur rayonnement se situe dans la gamme des rayons X et des rayons gamma. Ainsi, les sources les plus brillantes de rayons gamma dans le ciel de la Terre sont un trio d’étoiles à neutrons — dans la nébuleuse du Crabe, dans la nébuleuse des Voiles et l’étoile Geminga, très silencieuse.

Selon les estimations théoriques, au moment de la naissance d’une étoile à neutrons, la température de sa surface est d’environ 100 milliards de K, puis elle diminue en 100 secondes pour atteindre un milliard de K. La diminution de la température de 1 milliard de K à 100 millions de K se produit en 100 ans, et le refroidissement jusqu’à un million de K en un million d’années. À cet égard, les températures de surface observées des étoiles à neutrons connues sont de l’ordre de 0,1 à 1 million de K. Ainsi, la température de surface du pulsar dans le Crabe Tumman (âge d’environ un millier d’années) est estimée à moins de 1,55 million de K, et la température de son noyau à 3 milliards de K. La température de surface du pulsar PSR J1840-1419 en 2013 a été estimée à moins de 600 000 K, et son âge à 16,5 millions d’années. Mais le plus ancien pulsar radio est considéré comme étant PSR J2144-3933. Cet objet détient plusieurs records : le pulsar radio le plus proche (180 parsecs) et le pulsar radio ayant la plus longue période (8,51 secondes).

Les étoiles à neutrons en une image

L’âge du pulsar est estimé à 272 millions d’années et sa température de surface à 0,23-1,9 million de K. Alors que la température lors de l’explosion d’une supernova normale n’est «que» de 10-100 milliards de K, elle peut atteindre plusieurs dizaines de milliers de milliards de K lors d’une explosion exotique de rayons gamma (une collision d’étoiles à neutrons). En outre, il existe une théorie selon laquelle les explosions de supernova peuvent produire un type particulier d’étoiles exotiques : les «étoiles électrofaibles». Leur température est déjà de plusieurs pétaKelvins (1 pétaK = 1000 billions de K). Ces objets peuvent recréer le Big Bang au cours des 10-10 premières secondes dans un volume égal à une pomme (d’une masse de 2 masses terrestres).

Processus à haute température des trous noirs

Trou noir en vue d’artiste

Des processus à température tout aussi élevée se produisent dans les disques d’accrétion des trous noirs. Ainsi, un trou noir de masse stellaire (Scorpius X-1) est la source de rayons X la plus brillante dans le ciel terrestre, et le disque d’accrétion d’un trou noir supermassif (Swan A) est la source radio la plus brillante dans le ciel terrestre. Des observations récentes du radiotélescope spatial russe Radioastron ont montré que la température effective du centre du quasar le plus proche, 3C273, est comprise entre 10 et 40 billions de K. Selon une théorie, la température effective de la matière noire dans les noyaux actifs de galaxie est de l’ordre du zêta-kelvin (10 21 K), soit des dizaines de millions de fois la température observée de la matière visible dans ces objets.

Température du milieu interstellaire

Le milieu interstellaire se caractérise également par de très grands contrastes de température. Dans les ondes de choc interstellaires, la température peut dépasser un milliard de K, et dans les amas de galaxies, les températures typiques sont d’un million de K. En revanche, la température mesurée dans la nébuleuse du Boomerang, dans la constellation du Centaure, à 5 000 années-lumière de la Terre, n’est que de 1 K en raison d’une expansion rapide. Cette température est même inférieure à la température actuelle du rayonnement relique (2,725 K). En dehors de cet exemple, on ne connaît dans la nature qu’un seul autre phénomène présentant une température similaire : le mystérieux «point froid», qui est 70 microK plus froid que la température moyenne du rayonnement relique. Cette différence est beaucoup plus importante que l’écart-type du rayonnement relique (18 microK). Le point froid est situé dans la direction de la constellation de l’Eridanus, son diamètre est d’environ 10 degrés angulaires. Il est suggéré que cet objet pourrait être une énorme superwidow avec un diamètre d’environ 150-500 mégaparsecs, qui se trouve à 2-3 gigaparsecs de nous (z=1).

D’autre part, il existe une théorie selon laquelle la température du rayonnement de Hawking pour les trous noirs supermassifs est encore plus petite : 1 0-18 K.

La température de notre Univers au moment du Big Bang

À l’avenir, la température du rayonnement relique continuera à diminuer. Quelle était la température de notre Univers au moment du Big Bang ? Selon la théorie, à 5×1 0-44 secondes du Big Bang, la température de notre Univers était égale à la température de Planck. Sa valeur approximative est de 1,4×10 32 K, et elle caractérise l’une des limites fondamentales de la mécanique quantique. La théorie physique moderne est incapable de décrire quoi que ce soit à une température plus élevée, car elle ne dispose pas d’une théorie quantique développée de la gravité. Au-dessus de la température de Planck, l’énergie des particules devient si importante que les forces gravitationnelles entre elles deviennent comparables au reste des interactions fondamentales.

Matériel sur le sujet

Selon les conceptions actuelles de la cosmologie, la température de Planck est la température de l’Univers au premier instant (temps de Planck) du Big Bang.

Malgré l’énormité fantastique de la température de Planck, les astronomes s’approchent déjà de l’observation de températures extrêmes similaires. Il s’agit de l’enregistrement de particules de rayons cosmiques de très haute énergie, dont la température est «seulement» un million de fois inférieure à la température de Planck ou des millions de fois supérieure aux températures (énergies) des collisions de particules dans le LHC. Au départ, on considérait que l’existence de ces particules était improbable, car selon la limite de Greisen-Zatsepin-Kuzmin, les protons dont l’énergie est supérieure à 5×10 19 eV devraient interagir avec les photons du rayonnement relique, ce qui entraînerait une perte d’énergie. Les calculs ont montré que la distance moyenne de réduction de l’énergie devait être d’environ 50 mégaparsecs. Cependant, dès le 22 juillet 1962, la première particule de rayon cosmique d’une énergie de 1,0×10 20 eV (16 J) a été détectée dans le cadre de l’expérience Volcano Ranch (Nouveau Mexique). Le 15 octobre 1991, une autre installation dans l’Utah a enregistré une particule d’une énergie encore plus élevée de 3×10 20 eV (50 J), qui a été officieusement surnommée la «particule de Dieu».

Les théoriciens modernes considèrent qu’il est très probable que les énergies (températures) record des particules de rayons cosmiques soient associées aux noyaux actifs de galaxies (disques d’accrétion de trous noirs supermassifs). L’énorme énergie (température) des particules de rayons cosmiques de très haute énergie peut être un rayonnement non thermique de particules accélérées dans d’énormes accélérateurs naturels de jets de trous noirs supermassifs, de la taille d’une galaxie (par exemple, la température effective de l’émission radio des pulsars est estimée à 10 2 3-10 31 K). Une analyse des coordonnées de 87 particules de rayons cosmiques d’une énergie supérieure à 57×10 18 eV, enregistrées par le Telescope Array (Utah) en 2008-2013, a montré que 19 d’entre elles (27 %) sont concentrées dans la zone de la constellation de la Grande Ourse, qui ne couvre que 6 % du ciel.

Parmi les particules enregistrées, l’énergie maximale était de 162,2×10 18 eV, soit près de la moitié de celle de la «particule de Dieu» de 1991. Le coût de l’installation du réseau de télescopes (507 détecteurs sur une surface de 700 kilomètres carrés) est d’environ 25 millions de dollars. La modernisation de l’installation, d’un coût de 6,4 millions de dollars, permettra de multiplier par 5 le nombre de données collectées.

Statistiques des particules de rayons cosmiques par énergie

En outre, l’Observatoire Pierre Auger, composé de 1600 détecteurs répartis sur une surface de 3000 km2, fonctionne en Argentine depuis 2008. En 2015, l’énergie maximale des particules enregistrées était comprise entre 1×10 20 eV et 2×10 20 eV.

Outre le lien entre les particules de rayons cosmiques à ultra-haute énergie et les trous noirs supermassifs, la possibilité d’un lien avec les particules de matière noire fait l’objet de discussions.

Avec le développement technologique, la civilisation humaine a la possibilité de travailler avec une gamme croissante de températures. Ainsi, la température de la combustion du bois est de 800 à 1000 °C, et la température des explosions industrielles pour les travaux miniers est déjà de 2700 à 4200 °C. La température au centre d’une explosion thermonucléaire atteint 400 millions de degrés. La création du coûteux LHC a permis d’atteindre des températures (énergies) encore plus extrêmes : 2-13 exoK (10 18 K).

D’autre part, les laboratoires terrestres apprennent à travailler avec des températures ultra-basses. En 1877, l’ingénieur français Louis Cajete et le physicien suisse Raoul Pictet refroidissent indépendamment l’oxygène à l’état liquide (90,2 K). En 1883, Zygmunt Wróblewski et Karol Olszewski ont liquéfié l’azote (77,4 K). En 1898, James Dewar réussit également à obtenir de l’hydrogène liquide (20,3 K). En 1893, le physicien néerlandais Heike Kamerling-Onnes s’attaque au problème des températures ultra-basses. Il réussit à créer le meilleur laboratoire cryogénique du monde, dans lequel il obtient de l’hélium liquide (4,2 K) le 10 juillet 1908.

Heike Kamerling-Onnes (à droite) avec son assistant Gerrit Flim

Il réussit par la suite à porter sa température à 1 Kelvin. Les expériences menées par Kamerling-Onnes et ses assistants le 8 avril 1911 ont permis de découvrir de manière inattendue qu’à une température de 3 K, la résistance électrique du mercure tombe à zéro. C’est ainsi que le phénomène de la supraconductivité a été découvert accidentellement.

Au cours des années suivantes, Heike Kamerling-Onnes tente d’obtenir de l’hélium solide. En 1918, il réussit à obtenir une température de 0,8 K, mais l’hélium reste liquide. Ce n’est qu’en 1926 que Willem Hendrik Keesom, un étudiant de Kamerling-Onnes, a réussi à obtenir 1 cm³ d’hélium solide en utilisant non seulement une basse température mais aussi une pression accrue. L’hélium est le seul élément qui ne se solidifie pas et reste à l’état liquide à la pression atmosphérique et à toute température basse. Le passage à l’état solide n’est possible qu’à des pressions supérieures à 25 atm. En 1995, il a été possible d’obtenir le premier condensat de Bose-Einstein, un état agrégé de la matière basé sur des bosons refroidis à des températures proches du zéro absolu (moins d’un millionième de kelvin). Dans un tel état fortement refroidi, un nombre suffisamment important d’atomes apparaissent dans leurs états quantiques minimaux possibles, et les effets quantiques commencent à se manifester au niveau macroscopique. Un gaz d’atomes de rubidium refroidi à 170 nanoKelvins (nK) (1,7×1 0-7 Kelvins) a été utilisé pour produire la substance exotique. En 2000, cette même substance a permis d’établir un nouveau record de ralentissement de la vitesse de la lumière : 0,2 mm/s. En 2014, des atomes de rubidium ont été refroidis à 50 picoK (50×1 0-12 Kelvin).

Dans les laboratoires modernes, il est possible de maintenir une température constante de 1,7 milliK. En 2014, une température de 6 milliK a été maintenue pendant 15 jours dans un volume d’un mètre cube.

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Date de publication: 12-26-2023

Mettre à jour la date: 12-26-2023