Propagation de la lumière dans un gaz sous très gaz pression

Propagation de la lumière dans un gaz sous très gaz pression.

Jacques Moret-Bailly

Résumé: L’absorption Raman, par un gaz sous très basse pression, d’un rayon lumineux émis par une source très chaude vue dans un petit angle solide, excite un ensemble de molécules liées par la

cohérence d’Einstein (1917), ensemble qui rayonne une onde cohérente géométriquement identique à l’onde incidente, bien que peu de molécules soient impliquées. Ainsi le rayon perd peu d’énergie par abaissement d’une de ses fréquences, mais un très grand nombre d’interactions rougit uniformément le spectre.

1. Introduction.

Quelques astrophysiciens ont essayé d’expliquer les « rougissements cosmologiques » par de nombreux effets Raman sans tenir compte de la cohérence spatiale. Mais chaque interaction Raman usuelle non seulement excite une molécule pendant une collision, mais aussi disperse dans toutes les directions le reste du quantum d’énergie radiante absorbé: le bleu du ciel cache les étoiles ! Peut-on, comme un rayon est réfracté par la stratosphère, utiliser la cohérence spatiale pour n’extraire d’un rayon que le quantum d’énergie excitant une molécule ?

2. Les effet Raman cohérents.

« Effet Raman cohérent » a au moins deux significations :

- En microscopie, un mode M d’un rayon de fréquence m excite une molécule ayant une fréquence propre s. Un mode de fréquence m ± s stimule une émission d’un quantum à sa fréquence.

- Dans l’espace, un rayon incident doit contenir un quantum stimulant pour qu’une observation soit possible. Heureusement, un rayon stellaire est parfaitement temporellement incohérent, il contient donc les modes aux fréquences qu’on désire observer.

3. Propagation des ondes d’Huygens.

Huygens découpe une surface d’onde en éléments égaux qui sont des sources secondaires d’ondes sphériques équivalentes, excitées par l’onde incidente (ondelettes). Des molécules situées sur une surface d’onde peuvent aussi émettre ou diffuser des ondes.

La propagation des ondes à partir des éléments d’une surface d’onde S1, construit des sphères dont l’enveloppe est, à un instant donné, une surface d’onde S2. Des molécules situées sur une surface d’onde peuvent aussi absorber, émettre ou diffuser des ondelettes en absorbant une fraction d’une onde incidente

4. Propagation Raman

En 1917, Einstein a montré que la propagation de la lumière dans un gaz sous très basse pression est cohérente : les molécules situées sur une surface d’onde émettent des ondelettes en phase, alors que les émissions dans un gaz plus dense peuvent être déphasées par des collisions, etc.

Dans une interaction Raman avec un gaz à basse pression, chaque élément de S1 émet, non seulement

les ondelettes d’Huygens dont l’amplitude est réduite par l’absorption atomique, mais aussi des quanta

cohérents d’émissions atomiques formant des ondelettes ayant la même phase (spatialement cohérentes). Sans modification de géométrie, un quantum a été remplacé par un quantum inférieur.

Alors que l’effet Raman usuel diffuse les fréquences réduites dans toutes les directions offertes par une collision, cet effet Raman cohérent émet dans le rayon excitateur les fréquences réduites par

l’interaction atomique. Si la fréquence atomique est basse, de très nombreuses interactions légèrement plus probables aux hautes fréquences, réduisent toutes les fréquences du spectre qui conserve son apparence. Les atomes perdent facilement leur excitation dans le rayonnement thermique, l’entropie croit.

5. Interactions de la lumière stellaire dans l’espace interstellaire.

Les variations de fréquence relatives (rougissements) Z(x)=(ν

-ν

)/ν

des raies Lyman de l’hydrogène atomique dans les spectres de quasars sont données avec une bonne précision par la formule de Karlsson Z(x) =nK où

x est un entier d’une série 3, 4, 6, … et K la constante de Karlsson 0.062. La formule de Rydberg montre que ces rougissements amènent, pour x =3 ou 4, les fréquences des raies absorbées Lyman β ou γ à la fréquence α. Ainsi l’absence d’énergie à la fréquence α arrête le rougissement : ce sont des atomes 2P qui rougissent la lumière.

6. « Forêts Lyman » des quasars.

Ces « forêts » montrent des ensembles de raies fortement absorbées sensiblement équidistantes.

L’interprétation est très simple, elle suppose simplement que le rayonnement d’une étoile très chaude traverse un nuage d’hydrogène atomique initialement froid :

1) L’absorption Lyman α pompe des atomes des états 1S à des états 2P. Ces atomes produiront des rougissements pendant les étapes suivantes.

2) Le coefficient d’amplification du gaz pour des émissions 2P→ 1S croît.

3) Comme dans une aurore polaire, une improbable collision d’atomes amorce un flamboiement (observé!).

4) Pendant le flamboiement, le gaz devient très absorbant (comme un rubis rose devient noir lorsqu’il émet un rayon laser) ; une raie noire est inscrite dans le spectre . On revient à 1).

7. Conclusion

Une spectroscopie élémentaire explique simplement une partie des spectres des quasars, justifiant

l’attribution des « rougissements cosmologiques » à une interaction cohérente de la lumière stellaire

avec de l’hydrogène atomique

La loi de Hubble exagère les distances dans les régions chaudes de l’univers. En fait, elle dévalue la densité de colonne d’atomes H

. Rapprochées, de taille réduite, les nébuleuses spirales peuvent se passer de matière noire, etc.

Bibliographie inutile : Auteurs classiques (Huygens, Einstein, Rydberg, Karlsson).