Une force plus attractive que la gravité avec la lumière du corps noir

La lumière naturelle est responsable d'une pression sur les objets. Cette pression de radiation, comme on l'appelle, s'oppose même à la force de gravitation d'une étoile, et explique pourquoi elle ne s'effondre pas sur elle-même. Dans certains cas, un rayonnement de type corps noir conduirait cependant à une force attractive bien supérieure à la force de gravité.

L'amas ouvert IC 2944, photographié ici par Hubble. Situé à une distance d'environ 5.900 années-lumière, il contient des nuages denses et froids que l'on appelle des globules de Bok, où peuvent se former des étoiles. Ces nuages sont trop froids pour que le rayonnement du corps noir y produise des forces attractives supérieures à celle de la gravitation. Mais il n'en serait pas de même dans des objets similaires un peu plus chauds. © Nasa, Wikipédia, DP
La théorie de l’interaction de la lumière avec des atomes dans des conditions assez ordinaires ne laisse, à priori, plus guère de place à des surprises. Il n’y aurait que dans des domaines où l’on utilise la lumière laser que l’on pourrait trouver des phénomènes particulièrement originaux. Le rayonnement du corps noir, par exemple, est compris théoriquement depuis plus d’un siècle, et il a été intensément étudié, notamment en astrophysique et en cosmologie. On sait que lorsqu’il concerne le rayonnement des trous noirs, il conduit à un profond paradoxe, celui de l’information. Sa solution définitive nous fournirait de profonds aperçus sur la nature fondamentale de l’espace, du temps et de l’information quantique.

Et pourtant, si l’on en croit un article déposé sur arxiv par des chercheurs autrichiens, le rayonnement du corps noir même dans un cadre aussi banal qu’un nuage moléculaire dans le milieu interstellaire peut conduire à un effet surprenant. En effet, alors que l’on connaissait un effet répulsif associé la lumière d’une étoile ou d’un corps chauffé à haute température (la fameuse pression de radiation), il existerait des situations où le rayonnement du corps noir produirait une force d’attraction, selon ces physiciens.

Des pinces optiques au rayonnement du corps noir

La découverte théorique de cet effet s’est faite en réfléchissant sur les pinces optiques. Celles-ci trouvent surtout des applications dans la biologie, notamment dans la manipulation de cellules et d’organites, mais aussi en physique pour piéger et refroidir des atomes ou des molécules avec des lasers.

D’ordinaire, les photons à une longueur d’onde donnée dans un faisceau laser peuvent être absorbés par des atomes au repos, si ces photons ont une énergie correspondant à un niveau atomique bien précis. Comme ils transportent de la quantité de mouvement, les atomes absorbant de tels photons se mettent en mouvement, et le corps constitué par ces atomes subit donc une force répulsive, comme une paroi bombardée par des billes.

Johannes Stark (1874-1957), prix Nobel de physique en 1919, a montré que les niveaux d’énergie d’un atome peuvent être modifiés par un champ électrique. Il était opposé aux théories de la relativité d'Einstein. © A. B. Lagrelius & Westphal, DP

Toutefois, on sait depuis les travaux du prix Nobel de physique 1919 Johannes Stark qu’un champ électrique peut modifier les niveaux d’énergie d’un atome. L’effet est faible, et dans certains cas, il conduit à un abaissement de ces niveaux d’énergie. Avec un rayon laser adapté, et puisque les photons sont associés à des ondes électromagnétiques, il est donc possible d’abaisser l’énergie totale des atomes. Le résultat net est une force attractive, et non plus une force répulsive, expérimentée par les atomes. Ce phénomène était bien connu et utilisé justement par certaines pinces optiques.

Une force attractive peut-être décelable en astrophysique

Les chercheurs autrichiens ont cherché à savoir si de la lumière naturelle, constituée d’un largespectre quasi continu de longueurs d’onde (comme la lumière émise par les étoiles) et que l’on peut approximer comme l’émission d’un corps noir à une température donnée, pouvait parfois conduire à un effet d’attraction similaire.

Il se trouve que les niveaux d’énergie de la plupart des éléments légers sont plutôt situés dans des bandes de longueurs d’onde correspondant au visible et à l’ultraviolet. Dans le cas d’étoiles comme le Soleil, avec une température de surface d’environ 6.000 K, la majorité du rayonnement émis se trouve dans l’infrarouge. Dans cette bande, il ne conduit pas à une pression de rayonnement pour les éléments légers, mais bien à une force d’attraction lié à l’effet Stark. L’effet de la pression de radiation due aux longueurs d’onde plus basses est néanmoins celui qui domine dans des phénomènes astrophysiques. La pression exercée sur la chevelure des comètes en est un exemple. Néanmoins, c’est le vent solaire plutôt que la pression de radiation qui agit sur l’orientation de la queue d’une comète, car elle est composée de plasma, alors que la chevelure est constituée pour l’essentiel de particules neutres.

Malheureusement, la force d’attraction par effet Stark liée à une émission de corps noir décroît rapidement avec la distance. Les physiciens estiment donc qu’il sera difficile de tester leur théorie en laboratoire. Dans des conditions astrophysiques spécifiques, cependant, elle pourrait jouer un rôle important qui rendrait l’effet à la fois visible et mesurable. Selon les chercheurs, dans le cas d’un nuage de poussières contenant des particules de taille micrométrique et à une température de 100 K, l’énergie potentielle dont dérive la force d’attraction du rayonnement du corps noir à la surface de ce nuage serait 100 millions de fois supérieure à celle de la gravité.