Jupiter peut-elle devenir une étoile

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Jupiter peut
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étoile
étoileétoile
étoile ?
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Introduction :
Après des années d’avancées dans le milieu, la science en a finalement bien conclu
que nous sommes de la « poussière d’étoile ». Cette constatation, qui pourrait surprendre plus
d’un non initié, est non seulement valable pour nous, mais également pour tout ce qui nous
entoure. Aussi, les étoiles peuvent être perçues comme de véritables complexificateurs
d’univers, voire selon une approche plus philosophique du sujet des créatrices de vie, sans
lesquelles nous n’existerions pas. De fait, des étoiles antérieures à celles que nous percevons
aujourd’hui nous ont un jour indirectement créés, en explosant à la fin de leur vie, répartissant
dans un espace interstellaire la matière dont elles étaient composées.
Le Soleil atteindra lui aussi cette finalité dans 7,5 milliards d’années, marquant la fin
d’un certain dynamisme dans notre système, le plongeant définitivement dans la noirceur du
vide. Définitivement ? Ce fait n’est pas avéré. En analysant de plus près les corps célestes qui
nous entourent, Jupiter peut paraître le plus proche du Soleil, notamment sur des points
importants comme la structure ou la composition. En réalité, l’altérité entre ces deux astres
s’observe essentiellement, et presque uniquement, au niveau de l’écart de masse. Mais un
apport massif de matière, survenant dans les âges à venir, ne pourrait-il pas pallier cette
disparité, pour à terme initier un processus en Jupiter qui lui permettrait de devenir une étoile ?
Est-il envisageable de voir un jour Jupiter se substituer au Soleil ?
Nous sommes conscients que cette question est assez hermétique, car peu instinctive ;
c’est pourquoi nous vous exposerons précisément dans un premier temps les homologies
présentées par Jupiter et les étoiles qui nous ont permis d’établir cette perspective.
Par la suite, nous quantifierons le défaut de masse évoqué qui fait que Jupiter n’est pas une
étoile, mais bien une géante gazeuse. Cela dans l’optique d’évaluer sur les plans qualitatif et
quantitatif les différentes interactions qui se jouent au niveau de la masse entre Jupiter et son
environnement pour voir si, justement, ce défaut peut être comblé. Ces relations seront pour
nous l’occasion d’ouvrir notre étude à une sphère davantage expérimentale en les modélisant,
ce qui nous permettra de les comprendre, les interpréter et en déduire certaines propriétés.
Olympiades nationales de physique

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Sommaire
SommaireSommaire
Sommaire
Introduction
IntroductionIntroduction
Introduction ………………………………………………………. page 1
Partie 1
Partie 1Partie 1
Partie 1 : Première approche
: Première approche: Première approche
: Première approche ………………………………………. page 3
1) Remarques préliminaires sur les étoiles…………………………... page 3
2) Détermination de la masse nécessaire pour engager des réactions
nucléaires au sein d'un corps en équilibre hydrostatique………….…. page4
Partie 2
Partie 2Partie 2
Partie 2 :
::
: Etude des interactions permanente
Etude des interactions permanenteEtude des interactions permanente
Etude des interactions permanentes entre Jupiter et les corps
s entre Jupiter et les corps s entre Jupiter et les corps
s entre Jupiter et les corps
du système solaire
du système solairedu système solaire
du système solaire ; modélisation
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……
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Partie
Partie Partie
Partie 3
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3 :
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: Etude
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Etude qualitative
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modélisation ....page 12
Conclusio
ConclusioConclusio
Conclusion
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Partie 1
Partie 1Partie 1
Partie 1 : Première approche
: Première approche: Première approche
: Première approche
I) Remarques préliminaires sur les étoiles
Comme indiqué, nous allons revenir sur les similitudes rapprochant Jupiter de l’ordre des
étoiles ; celles-ci sont :
• De taille : Jupiter a un diamètre de 143 000 km, alors que celui de la plus petite étoile
répertoriée, OGLE-TR-122HP, n’est que de 20% supérieur, atteignant 171 580 km.
• De composition : Jupiter est constituée de 75% d’hydrogène et 24% d’hélium ; le
Soleil de 74% d’hydrogène et 25% d’hélium.
Devant le fort degré de ressemblance, nous sommes à même de nous demander pourquoi
Jupiter n’est pas une étoile, ce qui nous conduit à définir ce terme.
« Une étoile est un astre formé d’une sphère de gaz très chauds au cœur de laquelle se
produisent des réactions de fusion nucléaire.»
Le principe d’une réaction nucléaire est la transformation d’un ou plusieurs noyaux
atomiques. Lors de l’une d’elle, au moins deux atomes entrent en collision et forment une
particule plus grosse, mais instable. Pour se stabiliser, cette dernière « éjecte » une autre
particule, qui peut être:
-un électron lors d'une réaction appelée bêta moins.
-un positron lors d'une réaction appelée bêta plus.
-un noyau d'atome d'hélium lors d'une réaction appelée alpha.
Il existe deux types de réactions nucléaires : la fission, qui «coupe» les noyaux
atomiques en d'autres plus petits, et la fusion, qui «assemble» des petits noyaux en plus gros.
La fusion nucléaire, présente dans les étoiles, nécessite qu'au moins deux noyaux
atomiques H
+
s'interpénètrent (dans le cas le plus général: le cycle de fusion de l’hydrogène).
Pour que deux noyaux fusionnent, ils doivent surmonter la répulsion coulombienne grâce
à leurs agitations thermiques (les noyaux étant des particules élémentaires chargées
positivement), tout en conservant suffisamment d’énergie pour fusionner. Ces conditions
nécessitent, pour être affranchies, un milieu énergétiquement dense (en terme de température
et de pression), impliquant immédiatement une densité massique très importante.
Et c’est là le point qui différencie Jupiter, dont la densité moyenne (1,3) est très
inférieure à celle de la Terre (5,5), des étoiles.
A présent, si nous voulons étudier la possibilité pour Jupiter d’évoluer en étoile, il
nous faut déterminer la masse minimale nécessaire à un astre pour engager le cycle de fusion
de l’hydrogène, lui permettant ainsi d’être catégorifié comme une étoile.

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Schéma du cycle de fusion de l’hydrogène:
Equations du cycle de fusion de l’hydrogène:
1
1
H +
1
1
H
1
2
H +
0
0
e
+
+ υ
1
1
H
+
+
1
2
H
2
3
He + γ
2
2
3
He
2
4
He + 2
1
1
H
+
II) Détermination de la masse nécessaire pour engager des réactions
nucléaires au sein d'un corps en équilibre hydrostatique.
Obtenir la masse minimale théorique d’hydrogène pour former une étoile fait suite à une
succession relativement longue de calculs que nous avons, pour cette raison, décidé de vous
présenter en annexe. Pour plus de détails, vous pouvez vous référer à l’annexe 1.
Afin de récapituler les grandes lignes de notre démarche, nous avons dans un premier temps
déterminé les caractéristiques spatiales minimales à la formation d’une étoile en nous
appuyant sur des données issues de la plus petite étoile connue à ce jour. Ensuite, nous avons
chronologiquement calculé la masse du cœur, puis du manteau de cette étoile naissante.
Finalement, la masse totale s’est révélée être de 8,13.10
23
kg, soit plus de 44 fois celle actuelle
de Jupiter. A présent, pour apporter une réponse à la problématique, il nous faut étudier par
leur nature et leur amplitude toutes les interactions présentes entre Jupiter et son
environnement susceptibles d’accroître sa masse.
hélium 4
proton
γ
γ
ν
ν
neutron
γ
ν
positron
Rayon gamma
neutrino
hydrogène deutérium hélium 3

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Partie
Partie Partie
Partie 2
22
2 : Etude des interactions
: Etude des interactions: Etude des interactions
: Etude des interactions permanentes
permanentespermanentes
permanentes entre Jupiter et
entre Jupiter et entre Jupiter et
entre Jupiter et
les corps du
les corps dules corps du
les corps du système solaire
système solairesystème solaire
système solaire ; modélisation
; modélisation; modélisation
; modélisation.
..
.
Comme le titre le laisse entendre, nous nous devons de différencier deux cas dans notre
approche : regrouper d’une part les interactions permanentes entre Jupiter et son
environnement, et d’une autre part celles qui pourraient survenir dans les milliards d’années à
venir, suite aux évolutions du système solaire. Cette partie est consacrée à la première
perspective.
Certes de moindre envergure que le Soleil, Jupiter ne joue pas moins un rôle
prépondérant dans la disposition actuelle de notre système. En effet, sa taille, sa nature et sa
composition lui permettent de disposer d’une grande influence sur son voisinage, celle ci se
déclinant sous deux formes :
• Une première gravitationnelle : rappelons que Jupiter est le second corps le plus
massif du système solaire.
• Une seconde électromagnétique : bien qu’encore mal connu, son centre renfermerait
un cœur rocheux, baignant dans de l’hydrogène métallique, c’est à dire sous forme
suffisamment froide et dense pour que l’espace entre deux noyaux de cet élément
soit inférieur au rayon de Bohr, conférant ainsi une certaine liberté de mouvement
aux électrons, caractéristique des métaux. De ces déplacements d’électrons naissent
des courants électriques qui induisent un champ magnétique 200.000 fois
supérieur à celui de la Terre, supérieur même à celui du Soleil. Ce champ magnétique
influe sur les nombreuses particules chargées du système solaire, notamment en les
attirant.
Les répercussions de cette influence sont bien réelles : on estime ainsi que l’existence de
la ceinture d’astéroïdes entre Mars et Jupiter serait finalement due à l’attraction
gravitationnelle de cette dernière, empêchant de la sorte la formation d’une planète tellurique
par accrétion.
A présent, il n’est guère difficile d’imaginer un assortiment de scénarios dans lesquels
Jupiter drainerait de la masse par son influence au reste des corps présents dans son
voisinage immédiat : à titre d’exemple, on peut considérer comme envisageable la venue
d’une éruption solaire suffisamment conséquente pour déporter, via les particules expulsées,
les astéroïdes (donc des corps légers) de la ceinture évoquée vers l’orbite jovienne, depuis
laquelle la géante gazeuse pourra les attirer. Alourdie, elle devrait se rapprocher du Soleil
pour retrouver une orbite stable : un tel déplacement ne serait pas sans conséquence pour
l’équilibre tout entier du système : qui sait ce qui pourrait alors s’en suivre.
Mais il est su que le Soleil, de masse 2,0.10
30
kg, concentre 99,85 % de la masse
du système solaire à lui seul ; c'est-à-dire que la masse « libre » restante est de tout
juste 3,0.10
27
kg, dont 60% déjà regroupée en Jupiter. En interagissant de quelque
manière qu’il soit avec les autres corps du système solaire, à l’exception du Soleil, Jupiter
ne pourra jamais atteindre la masse requise estimée de 8,13.10
28
kg. Cette information
restreint considérablement notre espace de recherche, en le limitant aux interactions, toujours
portant sur la masse, qui surgissent uniquement entre la planète et l’étoile.