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Interaction de la lumière émise par une source dense et très chaude avec de l'hydrogène très froid sous très basse pression.

Jacques Moret-Bailly

jmo@laposte.net

Résumé :

Le rayonnement de sources très chaudes (étoiles) excite un gaz froid (interstellaire),

principalement constitué d'hydrogène sous très basse pression, maintenu essentiellement atomique par

des rayonnements de très haute fréquence qui détruisent les molécules. Des atomes d'hydrogène sont

pompés, par exemple, du niveau atomique 1S à un niveau 2P par un "Spatially Coherent Raman Effect

on temporally Incoherent Light" (CREIL) or "Stimulated Raman Loss" (SRL) : un quantum

électromagnétique stellaire d'énergie suffisante quelconque fournit les 10 eV d'une transition Lyman

alpha. Comme toute émission cohérente, l'émission du quantum électromagnétique résiduel ne peut

être qu'une amplification d'un mode qui existe à toute fréquence dans le rayon stellaire temporellement parfaitement incohérent . En supposant que les atomes reviennent dans des états froids par rayonnement ou collisions, un

très grand nombre de SRL, ayant une probabilité dépendant peu de la fréquence, rougit les spectres

stellaires. La loi de Hubble ainsi obtenue évalue la densité de colonne d'hydrogène atomique excité.

Introduction: hypothèses.

Nous supposerons que les gaz autres que l'hydrogène jouent, dans l'espace interstellaire

seulement des rôles mineurs d'absorption de raies spectrales, de sorte que nous étudions un modèle ne

tenant compte que de l'hydrogène, modèle qui pourra subir quelques perturbations élémentaires. La

température interstellaire est supposée voisine de zéro kelvins.

1. Interaction du rayonnement de sources très chaudes avec un gaz froid, à très basse

pression, composé essentiellement d'hydrogène atomique.

I. 1) Par absorption de quanta lumineux stellaires de fréquences élevées, les molécules

diatomiques sont scindées en molécules monoatomiques.

I. 2) Nous supposerons que les collisions entre molécules (loi de Boltzman,...) sont négligeables à

l'échelle des interactions électromagnétiques. Ainsi, nous négligeons l'énergie 3/2 kT car T~0.

Des atomes H, dans leur état d'énergie état inférieur (1S) peuvent absorber une des deux

fréquences Lyman α, (d'énergie moyenne de 12,2 eV) en produisant des atomes dans les états 2P1/2 ou

2P3/2 séparés par une énergie "fine" de hf=4,5.10-5 eV, correspondant à un quantum hν de fréquence

ν=10.9 GHz.

I. 3) Un effet Raman cohérent dit " spatially Coherent Raman Effect on temporally Incoherent Light"

(CREIL) [1} or "Stimulated Raman Loss" (SRL) [2] scinde un quantum hF de lumière stellaire

(spatialement cohérente), une fraction de son énergie (hf=4,5.10-5eV) pompant un atome de 2P1/2 en

2P3/2 , et un quantum résiduel h(F-f) restant dans le rayon.

I. 4) L'émission Raman par CREIL étant cohérente, elle peut seulement amplifier un mode d'un rayon

pré-existant. Ce mode existe dans le rayon stellaire incident qui est temporellement parfaitement

incohérent, (ce qui est démontré par l'impossible interférence de deux modes d'un rayon stellaire).

I. 5) Des interactions successives d'un rayon avec des atomes soustraient des quanta de 4,5.10-5eV

de tous les quanta lumineux, avec presque la même probabilité car les fréquences observées sont

beaucoup plus grandes que les fréquences de l'ordre du GigaHertz des résonances atomiques. Un très

grand nombre d'interactions avec des atomes déplace sensiblement uniformément le tapis de quanta

incidents. Les energies "hyperfine" et de "Lamb shift", environ 10 fois plus faibles que l'énergie fine ne paraissent pas jouer un role fondamental.

II. Applications simples en astrophysique.

II. 1) L'hydrogène interstellaire et le rayonnement stellaire peuvent remplir les conditions de

l'expérience décrite ci-dessus. En particulier, l'espace interstellaire contient de l'hydrogène atomique

majoritairement froid.

II. 2) Plusieurs auteurs (Burbidge [3], Karlsson [4,5], Petitjean[6]), ont montré une discrétisation

des rougissements stellaires amenant des raies Lyman β, γ, ... absorbées de l'atome H, sur la raie

Lyman α. Pour que l'absorption par une raie soit visible, il faut que le rougissement soit arrêté, ce qui se

produit lorsqu'une raie quelconque, mais souvent Lyman β ou γ préalablement absorbée puis rougie,

atteint la fréquence Lyman α, donc anihile une absorption Lyman α, c'est à dire un pompage d'atomes

en 2P, qui se montre ainsi nécessaire au rougissement. II. 3) Certains spectres stellaires peuvent être dessinés avec une bonne approximation en

superposant plusieurs fois le spectre d'absorption du gaz, sur le spectre préalablement obtenu, rougi de

façon que une raie absorbée ainsi rougie prenne la fréquence Lyman alpha. II. 4) Les rougissements ont une utilisation importante:

* Selon la "loi de Hubble", ils évaluent les distances. Mais, en utilisant cette loi, une galaxie est

éloignée, gonflée, instable, etc. Elle doit être complétée par une "matière noire" introuvable.

* Cette loi est corrigée en posant qu'elle évalue la "densité de colonne d'hydrogène atomique 2P".

De forts rougissements résultant d'excitations thermiques de l'hydrogène autour d'une galaxie, la

distance et la taille de la galaxie étaient exagérées. III.) Génération d'une "forêt Lyman" d'un quasar.

Le quasar est plongé dans de l'hydrogène atomique sous basse pression excité par le rayonnement

de l'étoile. Les absorptions Lyman α par des atomes de nombre quantique principal n=1 produit des atomes

n=2 , ce qui augmente les coefficients d'amplification du gaz aux fréquences Lyman α. Comme dans

une aurore boréale, une émission accidentelle amorcée par exemple par une collision produit une

super-émission géométriquement quelconque, observée au voisinage du quasar. Les rayons (en

particulier stellaires) qui ne participent pas à l'émission deviennent super-absorbants (comme les

rayons excitant le pompage d'un laser.), ce qui écrit une raie très sombre de "forêt Lyman" dans le

spectre. IV ) Conclusion : Le CREIL (≡ SRL) , interaction cohérente des atomes d'hydrogène interstellaires avec les rayons stellaires rougit ces derniers.

V ) References.

[1] Moret-Bailly J. " Propagation of light in low pressure ionised and atomic hydrogen.

Application to astrophysics", IEEE Transactions on plasma science, vol. 31, No. 6, p.1215-1222, 2003.

[2] Ji-Xin Cheng & Xiaoliang Sunney Xie. Coherent Raman Scattering Microscopy. ISBN. 978-

1-4398-6765-5, CRC Press (2012) .

[3] Burbidge G. "The distribution of redshifts in quasi-stellar objects, N-systems and some radio and compact galaxies." , The Astrophysical Journal, 154, L41 (1968). [4] Karlsson K. G. "Possible Discretization of Quasar Redshifts", Astron. and Astrophys., 13, 333, (1971). [5] Karlsson K. G. "Quasar redshifts and nearby galaxies." , Astron. and Astrophys., 239, 50 (1990).

[6] Petitjean P. "Le contenu baryonique de l'univers révélé par les raies d'absorption dans le

spectre des quasars." " Annales de Physique », 24, 1 (1999)quotesdbs_dbs30.pdfusesText_36

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