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Quand le son fait de la lumière!
Sonoluminescence
Quand le son fait de la lumière!
Un record de luminosité pour la sonoluminescence ?
Un groupe de physiciens américains a annoncé avoir obtenu des flashs de lumière, dans une expérience de sonoluminescence, cent fois plus brillants que ceux observés jusqu’à présent. Toujours mal comprise, la sonoluminescence pourrait peut-être un jour servir à faire de la fusion froide.Le phénomène, bien que très curieux, apparaît de prime abord comme banal. Lorsque certaines bulles de gaz apparaissent dans un liquide et commencent à grossir sous l’effet d’une onde acoustique se propageant dans ce liquide, il arrive un moment où elles implosent en émettant un flash de lumière. La première fois que ce phénomène de sonoluminescence a été observé et décrit scientifiquement, ce fut en 1934 à l’occasion d’expériences sur le sonar effectuées par H. Frenzel et H. Schultes à l’Université de Cologne.
Initialement, plusieurs bulles étaient ainsi produites, rendant difficile l’investigation des processus en cours. Ce n’est qu’en 1989 que Felipe Gaitan et Lawrence Crum purent obtenir le même phénomène avec une seule bulle. L’intérêt de la communauté scientifique pour la sonoluminescence s’est accru lorsque l’on s’est rendu compte qu’aucune explication satisfaisante de ce phénomène n’existait, mais surtout, que l’émission de lumière était peut-être causée par des processus trèsexotiques. Ainsi, certains ont suggéré que des températures de l’ordre de plusieurs millions de degrés étaient atteintes localement, entraînant des processus de fusion. D’autres spéculèrent même sur des liens avec l’effet Casimir, l’énergie du vide et même la physique des trous noirs.
Plus chaud que la surface du Soleil !
De fait, en 2005, David Flannigan et Kenneth Suslick, de l'University of Illinois at Urbana Champaign, en réussissant à créer une unique bulle d'argon dans une solution d'acide sulfurique soumise à l'action d’ondes sonores de fréquences supérieures à 18.000 cycles par seconde, ont obtenu et mesuré le spectre du flash de lumière. Selon leurs mesures, la température locale dans la bulle lors de son implosion atteignait les 15.000kelvins, soit plusieurs fois la température à la surface du Soleil. Comme desatomes d'argon et d'oxygène ionisés hautement énergétiques ont aussi été détectés au cours de l'expérience, il fallait en conclure qu’un plasma s’était bel et bien formé.
D’autres chercheurs annoncèrent aussi avoir mesuré dans des expériences analogues l’émission de neutrons, ce qui prouverait donc que de la fusion froide est possible avec la sonoluminescence. Mais aucune de ces observations n’a été confirmée.
L’un des physiciens qui cherchent à percer les mystères de la sonoluminescence n’est autre que Seth Putterman, qui s’était déjà fait connaître il y a quelque temps en découvrant que des rubans d’adhésif pouvaient émettre des rayons X. Avec ses collègues de l’Université de Californie à Los Angeles, il serait parvenu à créer des flashs de lumière au cours d’expériences de sonoluminescence dont la puissance serait de 100watts, soit cent fois plus que lors du précédent record réalisé en 2004 par Alan Walton et ses collègues de l’Université de Cambridge. Dans les expériences, une bulle de xénon de 1 millimètre de diamètre flottant dans de l’acide phosphorique implose brutalement sous l’effet d’une onde de choc. Accompagnant le flash de lumière, une température de 10.200 kelvins aurait été atteinte.
Les détails des expériences devraient bientôt être disponibles avec une publication dans Physical Review E.
(source : futura-sciences)
Explications
La sonoluminescence est le phénomène par lequel des photons sont émis par des bulles de gaz dont on fait varier le diamètre grâce à des ultrasons.
L'effet fut découvert à l'université de Cologne en 1934 par H. Frenzel et H. Schultes, lors d'une expérience portant sur le sonar. Les premières expériences sur le sujet remontent à 1917, quand la Royal Navy britannique demande au physicien Lord Rayleigh de comprendre pourquoi les hélices des navires subissent des dommages inexpliqués.
Dans les années 1980, Filipe Gaitan et Lawrence Crum arrivent à produire une bulle sonoluminescente unique.
En 2005, l'expérience de D. Flannigan, mettant en jeu une bulle d'argon immergée dans de l'acide sulfurique a permis de mesurer la température atteinte au cœur de la bulle.
L'explication théorique de ce phénomène reste aujourd'hui sujet d'étude. Les calculs réalisés depuis la découverte du phénomène semblent indiquer que malgré les conditions de température et de pression passablement inhabituelles au cœur de la bulle lors de son effondrement (la petite onde de choc échauffe fortement le gaz contenu dans la bulle), la production de lumière ne devrait pas intervenir.
De gauche à droite : apparition de la bulle, expansion lente de son enveloppe, contraction rapide et émission de lumièreOn ne sait pas dire aujourd'hui si cet écart entre théorie et observation tient aux imprécisions des modèles connus quand on les porte à des conditions extrêmes comme celles de la sonoluminescence ou si un phénomène qui n'a pas été envisagé jusque là est à l'œuvre.
En 2002, un physicien envisageait une réaction de fusion nucléaire (voir fusion froide), déclenchée par l'onde choc, mais ces résultats n'ayant pas pu être reproduits, ils restent très critiqués par la communauté scientifique.
L'expérience de D. Flannigan a permis de démontrer que la température au cœur de la bulle atteint 20 000 kelvins, soit l'équivalent de la température à la surface d'une étoile. La bulle d'argon est, par ailleurs, trois mille fois plus luminescente qu'une bulle produite dans de l'eau1. On a également découvert de l'oxygène ionisé en surface de la bulle. L'hypothèse de la présence d'un plasma au cœur de la bulle expliquerait cette ionisation.
D'après les expériences des chercheurs américain Rusi Taleyarkhan (université de Purdue, Indiana) et Richard Lahey (Institut polytechnique Rensselaer de Troy, État de New York), il semble que la température au centre des bulles puisse atteindre 10 millions de degrés. Ils auraient enregistré l'émission de neutrons à 2.5 MeV et décelé la présence de tritium après la réaction.
Propriétés
La sonoluminescence peut arriver ou non quand une onde sonore d'intensité suffisante fait se contracter rapidement une cavité gazeuse présente dans un liquide. Cette cavité peut prendre la forme d'une bulle ; elle peut être générée au cours d'un processus nommé cavitation. La sonoluminescence en laboratoire peut être rendue stable: une unique bulle s'étend puis se contracte continuellement de manière périodique, en émettant un éclair lumineux à chaque contraction. Pour cela, une onde sonore est émise dans un liquide, et la pression de la bulle dépendra de cette onde. Les fréquences de résonance dépendent de la taille et de la forme du récipient dans lequel la bulle est contenue.
Quelques informations sur la sonoluminescence :
- Les flash lumineux émis par les bulles sont extrêmement courts, entre 35 et quelques centaines de picosecondes, avec des pics d'intensités de l'ordre de 1 mW à 10 mW.
- Les bulles sont très petites quand elles émettent la lumière, autour du micromètre de diamètre. Ceci dépend du fluide ambiant (par exemple, de l'eau) et du gaz contenu dans la bulle (par exemple, de l'air).
- La sonoluminescence à bulle unique peut avoir des périodes et des diamètres très stables. Cependant, l'analyse de la stabilité d'une bulle montre que la bulle est elle-même soumise à d'importantes instabilités géométriques, à cause des forces de Bjerknes et des instabilités de Rayleigh-Plesset.
- En ajoutant une petite quantité d'un gaz noble (comme l'hélium, l'argon, ou le xénon) au gaz de la bulle, on peut augmenter l'intensité de la lumière émise.
La longueur d'onde de la lumière émise est très courte, son spectre peut atteindre l'ultraviolet. Plus la longueur d'onde de la lumière est faible, plus son énergie est élevée. La mesure du spectre de la lumière laisse présumer une température dans la bulle d'au moins 20 000 kelvin et jusqu'à une température dépassant le mégakelvin. La véracité de ces estimations est remise en question par le fait que l'eau, par exemple, absorbe à peu près toutes les ondes en dessous de 200nm. Ceci a mené à diverses estimations de la température de la bulle, car elle peut être extrapolée depuis le spectre d'émission obtenu durant la contraction, ou estimée en utilisant l'équation de Rayleigh-Plesset (voir après). Certaines estimations portent l'intérieur de la bulle à un gigakelvin. Ces estimations sont basées sur des modèles qui ne peuvent pas être vérifiés aujourd'hui.
(source : wikipedia)
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