Sommaire

1. Introduction
2. Comment fonctionne le soleil ?
   • Histoire
   • État du modèle solaire standard aujourd'hui
   • Héliosismologie
3. Problèmes des neutrinos solaires
   • Que sont les neutrinos ?
   • Neutrinos attendus du soleil
   • Expériences sur les neutrinos solaires
4. Solutions aux problèmes des neutrinos solaires
   • Solution solaire ou solution neutrino ?
   • Oscillations des neutrinos
   • Expériences sur les neutrinos non solaires
   • Solutions proposées
   • Conclusions sur les neutrinos
5. Arguments créationnistes sur le soleil
   • Rétrécissement
   • Neutrinos et fusion solaire
   • Lithium, béryllium et héliosismologie
   • Soleil faiblement lumineux au début
   • Soleil cristallin
6. Références

Introduction

Le soleil brille sous un ciel bleu, délivrant une thousand watts de puissance à chaque mètre carré sur la terre. Il le fait depuis des temps immémoriaux, sans changement notable. La seule source d'énergie raisonnable que nous connaissions, capable de maintenir le soleil en activité de cette manière, est la fusion nucléaire. Un sous-produit inévitable de la fusion est un flux abondant de particules appelées neutrinos. Les détecteurs de neutrinos sur la terre trouvent bien des neutrinos provenant du soleil, et le flux observé est de l'ordre de grandeur correct, confirmant que la fusion a bien lieu dans le soleil.

Mais lorsque des calculs détaillés du flux de neutrinos attendu ont été confrontés aux mesures, il y a environ 30 ans, une différence significative a été constatée. Seulement environ la moitié des neutrinos attendus ont pu être détectés. Cette anomalie a persisté jusqu'à très récemment et est connue sous le nom de « problème des neutrinos solaires ». Pour tous les détails techniques du problème des neutrinos solaires tel qu'il apparaissait avant d'être résolu, voir le livre autorisé de John Bahcall Astrophysique des neutrinos (Bahcall 1989), complété par ses mises à jour plus récentes (Bahcall 1997a ; Bahcall & Krastev & Smirnov 1998), et avec une introduction plus accessible dans Bahcall (1990).

Comme pour de nombreuses autres anomalies dans la science, les créationnistes (par exemple Oard 1995, Snelling 1997, Sarfati 2000) ont invoqué le problème des neutrinos solaires comme preuve de problèmes plus fondamentaux dans la science orthodoxe « uniformitariste ». Il est soutenu, en bref, que puisque le flux de neutrinos est erroné, il ne peut y avoir assez de fusion dans le soleil, dans ce cas le soleil ne peut pas continuer à briller pendant des milliards d'années, donc il doit avoir été créé récemment.

Dans cette FAQ, je décrirai d'abord la vision standard du fonctionnement interne du soleil, puis j'aborderai les neutrinos, ce qu'ils sont, et ce que nous en attendons du soleil. Ensuite, je discuterai de diverses solutions possibles au problème des neutrinos solaires. Enfin, les arguments créationnistes concernant les neutrinos solaires, et d'autres anomalies solaires, réelles et fictives, seront traités. Cette section finale, avec les réponses aux affirmations créationnistes, est plutôt courte ; la majeure partie de la faq se trouve dans les longues sections introductives, contenant tout le connaissances de base nécessaires pour comprendre les réponses.

Comment fonctionne le soleil ?

Aujourd'hui, nous disposons d'une image cohérente de la structure interne et du fonctionnement du soleil, soutenue par plusieurs lignes d'indépendantes de preuves. Mais ce modèle solaire est une construction relativement récente, et les preuves qui le soutiennent encore plus.

Historique

Les spéculations sur la nature du soleil sont aussi anciennes que l'histoire enregistrée, mais je ne m'étendrai pas sur les versions plus fantaisistes du passé, car elles ne sont pas pertinentes pour la question des neutrinos solaires. Si nous nous limitons à l'étude sérieuse du soleil, le milieu du XIX^e siècle est un bon point de départ, avec trois découvertes importantes :

• Le concept d'énergie, et la machinerie thermodynamique associée, menant à la réalisation que le flux d'énergie solaire doit provenir de quelque part.
• La découverte que le soleil n'est pas unique, mais a des équivalents parmi les étoiles. Chaque étoile est un soleil.
• La découverte (par spectroscopie) que le soleil est composé des éléments chimiques standards, tels que nous les trouvons ici sur Terre, et qu'il brille avec une température d'environ 6000 degrés C.

L'une des théories les plus importantes concernant la formation du soleil était (et reste) la théorie nébulaire du XVIIIe siècle de Kant et Laplace, selon laquelle le soleil s'est formé par la contraction gravitationnelle d'un grand nuage de gaz. L'énergie gravitationnelle potentielle du nuage aurait été libérée sous forme de chaleur lors de sa contraction, et Hermann Helmholtz a réalisé que cela constituait une source d'énergie possible pour le soleil, à condition qu'il soit toujours dans la phase de contraction. William Thomson (plus connu sous le nom de Lord Kelvin) a développé et propagé cette théorie durant les dernières décennies du XIX^e siècle. Cependant, il était clair que cette source d'énergie, bien qu'abondante selon les standards humains, ne pouvait durer éternellement. Diverses calculs ont donné des limites de l'ordre de quelques dizaines de millions d'années de soleil constant : «...il serait, je pense, extrêmement téméraire d'assumer comme probable quelque chose de plus que vingt millions d'années de lumière du soleil dans l'histoire passée de la terre, ou de compter sur plus de cinq ou six millions d'années de lumière du soleil pour le temps à venir» (Thomson 1889, p 369).

Cette durée a été problématique pour beaucoup ; elle était trop longue pour les littéralistes bibliques, mais trop courte pour les géologues et les biologistes, qui pouvaient voir que la Terre et sa faune avaient une histoire beaucoup plus longue. Les physiciens comme le Lord Kelvin ne s'intéressaient cependant pas à l'opinion des littéralistes ou des biologistes, de sorte que leurs arguments n'avaient peu d'impact. Mais cette durée pour le Soleil était également problématique en astronomie ; le Soleil n'était qu'une étoile parmi beaucoup d'autres, et si l'on admettait, raisonnablement, que toutes les étoiles fonctionnaient de la même manière, des contradictions s'ensuivaient. Entre autres choses, l'échelle de temps de la contraction gravitationnelle varie fortement en fonction de la taille de l'étoile (Eddington 1916, 1917 ; Hayashi 1961) ; les étoiles plus grandes s'effondrent et se refroidissent beaucoup plus rapidement que celles de la taille du Soleil. Après vingt millions d'années, toutes les grandes étoiles devraient avoir disparu, si elles avaient été créées au même moment que le Soleil.

Alternativement, on pourrait supposer que la naissance des étoiles est un processus continu, de sorte que le ciel soit rempli d'étoiles de tous âges différents. Mais dans ce cas, il ne devrait y avoir aucun motif particulier si l'on compare les tailles, les températures et les luminosités des étoiles. Des étoiles de toutes tailles devraient commencer par être froides, devenir plus chaudes et plus denses, puis finalement se refroidir à nouveau et finir par devenir des objets compacts froids. Les étoiles plus grandes et plus massives devraient généralement être plus lumineuses que les plus petites, mais il n'y a aucune raison d'attendre une relation avec la température. Cela contredit nettement la découverte de Hertzsprung et Russell (Hertzsprung 1905; Russell 1914) selon laquelle la grande majorité des étoiles présentent effectivement un tel motif, lorsqu'elles sont tracées sur ce qui est maintenant connu sous le nom de diagramme de Hertzsprung-Russell (par exemple ici). Eddington (1924) a développé ces idées davantage et a montré que la seule conclusion raisonnable est que les étoiles commencent par se contracter (et briller grâce à l'énergie gravitationnelle), mais qu'elles atteignent ensuite l'équilibre le long de ce qui est maintenant connu sous le nom de « séquence principale ». L'énergie gravitationnelle ne peut pas expliquer cet équilibre ; une nouvelle source d'énergie est nécessaire.

Un autre argument provient des étoiles variables (Eddington 1920). De nombreuses étoiles oscillent de manière régulière, mais une contraction en cours modifierait de manière mesurable la fréquence d'oscillation, en quelques décennies. De tels changements n'ont pas été observés, ce qui a conduit à des limites supérieures fortes sur le taux de contraction possible, incompatibles avec ce que prédit la théorie de l'énergie gravitationnelle.

Ainsi, la quête d'une nouvelle source d'énergie pour le soleil n'a pas, comme on le croit couramment, principalement pourvu le désir de fournir suffisamment de temps pour l'évolution biologique. Au contraire, Kelvin et d'autres étaient tout à fait fermes dans leur opinion selon laquelle la biologie et la géologie devraient s'adapter à l'échelle de temps donnée par la physique du 19^ème siècle, et oublier les milliards d'années (Barnes 1974). Mais, comme nous l'avons vu, au début du 20^ème siècle, il a été découvert qu'une nouvelle source d'énergie était nécessaire pour des raisons purement astronomiques. La structure interne des étoiles avait été établie par Eddington et d'autres (Eddington 1920), bien avant la découverte de la fusion nucléaire, et s'est révélée compatible avec les observations astronomiques uniquement si une nouvelle source d'énergie était postulée.

Dans la quête d'une nouvelle source d'énergie qui a eu lieu au début du 20^ème siècle, la radioactivité (découverte fortuitement par Henri Becquerel en 1896) a joué un rôle prépondérant. Eddington (1920) a spéculé sur la possibilité de la transmutation des éléments, selon le modèle des expériences alors récentes de Rutherford. De nombreux autres, notamment George Gamow, ont contribué à ce débat tout au long des années 1920 et 1930, mais Bethe (1939) est généralement considéré comme l'œuvre fondatrice, établissant la fusion comme une source d'énergie viable pour les étoiles.

Grâce aux travaux de Bethe et d'autres, il a rapidement été réalisé que la fusion était particulièrement adaptée comme source d'énergie souhaitée pour les étoiles. Tous les différents motifs et relations entre la masse, la température, la luminosité, etc., qui étaient connus à l'époque, étaient élégamment expliqués en postulant la fusion dans l'intérieur stellaire. Et les conditions prévalant à l'intérieur du soleil et d'autres étoiles (calculées par Eddington (1916, 1917) et d'autres bien avant les travaux de Bethe) étaient précisément celles à lesquelles les réactions de fusion se déroulaient à un taux approprié. Par un heureux hasard, il s'est également avéré que la durée de vie d'un soleil alimenté par la fusion est de l'ordre de grandeur de l'âge de la Terre, résolvant ainsi le problème des géologues.

État du modèle solaire standard aujourd'hui

Le statut du modèle solaire standard aujourd'hui ne peut être décrit que comme étant en excellente santé. Presque tout s'assemble parfaitement, y compris les neutrinos de nos jours. Le soleil est une énorme sphère de gaz ionisé, principalement de l'hydrogène et de l'hélium, avec un pourcentage d'autres éléments mélangés ensemble. Ce qui est directement observable sont les conditions de surface, ainsi que la masse totale et la luminosité. Ces grandeurs observables, combinées à l'hypothèse que la physique telle que nous la connaissons s'applique également à l'intérieur, sont suffisantes pour calculer en détail ce qui se passe à l'intérieur du soleil. Il n'est pas nécessaire de faire des hypothèses spécifiques concernant soit l'âge du soleil, soit sa source d'énergie.

Les calculs précoces (pré-ordinateur) ont été effectués en supposant que le soleil est proche de l'équilibre, rayonnant dans un état stationnaire. C'est toujours une approximation assez bonne, mais elle nécessite l'hypothèse que le soleil est assez vieux pour avoir atteint l'équilibre. Les modèles plus complets partent plutôt d'un soleil d'âge zéro (ou même d'un simple nuage de gaz en effondrement), puis suivent le développement du soleil jusqu'à ce que les conditions de surface calculées correspondent à celles observées aujourd'hui. Ces modèles font moins d'hypothèses, mais les équations ne peuvent être résolues que numériquement, et même dans ce cas, elles nécessitent des quantités considérables de temps de calcul.

Les équations d'équilibre sont décrites et dérivées dans n'importe quel bon manuel d'astrophysique, tel que Karttunen et al (1994), qui est celui que je suis ici. Il y a quatre conditions d'équilibre principales :

• Équilibre hydrostatique : la pression à l'intérieur du Soleil est, à tous les rayons, suffisante pour supporter le poids de la matière au-dessus. Toute déviation par rapport à cet équilibre entraînerait une modification drastique du Soleil sur une échelle de temps de quelques heures, ce qui n'est évidemment pas le cas.
• Distribution de la masse : le profil de densité à l'intérieur du Soleil, intégré sur tout le volume, doit donner la masse totale du Soleil, bien connue des études orbitales.
• Flux d'énergie : l'énergie transportée vers l'extérieur à travers le Soleil doit, à tous les rayons, être égale à l'énergie produite (par quelque moyen que ce soit) à l'intérieur de ce rayon. À la surface, le flux d'énergie doit être égal à la luminosité mesurée.
• Gradient de température : le gradient de température du centre vers la surface doit être tel que le flux d'énergie soit entraîné au bon rythme, tandis que, en même temps, la température à toutes les profondeurs doit être cohérente avec la pression et la densité du gaz à cette profondeur, selon les versions haute température des lois des gaz standards.

L'équation du flux d'énergie est encore compliquée par le fait qu'il existe deux mécanismes de transport d'énergie concurrents de magnitude comparable dans les étoiles : le rayonnement et la convection (la conduction thermique est négligeable). Le transport d'énergie radiatif se produit lorsque le rayonnement est émis par un matériau plus chaud et réabsorbé par un matériau plus froid situé plus loin du centre ; ce processus est toujours actif, mais son efficacité dépend fortement de la transparence du matériau. La convection, le mouvement ascendant familier que l'on observe lorsqu'on chauffe de la soupe dans une casserole, se produit dès que la densité du matériau sous-jacent est inférieure à celle du matériau situé au-dessus. C'est un mode de transport d'énergie très efficace, mais il n'est actif que dans certaines parties du soleil, là où le gradient de densité est adéquat. Une différence cruciale entre le rayonnement et la convection est que le matériau solaire est mélangé et homogénéisé dans les régions où la convection se produit, mais il ne l'est pas par le transport radiatif. L'équilibre exact entre le rayonnement et la convection diffère selon les types d'étoiles ; dans notre soleil, la convection se produit dans les 30 % les plus externes, tandis que seul le transport radiatif est actif dans le cœur. Mais la production d'énergie a lieu presque exclusivement dans le cœur, de sorte que tous les nouveaux éléments formés par les processus nucléaires restent là où ils sont et ne sont pas dispersés dans tout le soleil.

La résolution de ce système de quatre équations différentielles donne l'état interne du soleil (ou de toute autre étoile) en termes de pression, température et densité, en utilisant la physique standard de laboratoire, en supposant uniquement qu'il brille dans un état stationnaire.

Passer à l'étape suivante, avec un modèle numérique complet du développement stellaire, fournira des informations supplémentaires concernant l'âge, la composition et les processus internes de l'étoile. Un ensemble d'équations très similaire est utilisé, avec les conditions d'équilibre relâchées, et l'étoile est suivie tout au long de son développement, de sa naissance à nos jours (ou plus loin, si désiré), en tenant compte de tous les processus et sources d'énergie connus qui peuvent être en jeu. L'énergie de contraction de Helmholtz est prise en compte, tout comme les divers processus nucléaires possibles, dès que les conditions sont favorables.

Lorsque les calculs sont effectués, il apparaît que l'énergie de Helmholtz domine lors de l'effondrement initial, jusqu'à ce que la température et la densité au centre atteignent un niveau suffisant pour l'allumage de la fusion. Après une très brève période de fusion du deutérium, la réaction de fusion principale s'enclenche (dans le cas du soleil, la fusion proton-proton), et l'étoile se stabilise dans un état quasi-équilibre où elle demeure pendant la majeure partie de sa durée de vie. Durant cette phase stable, la luminosité de l'étoile augmente lentement, de l'ordre de cinq pour cent par milliard d'années dans le cas du soleil, un fait auquel nous reviendrons sous la rubrique « Soleil jeune pâle ». Les étoiles de masses initiales différentes atteignent l'équilibre à des températures et des luminosités différentes, le long de ce que les astronomes appellent « La Séquence Principale ». Cette séquence d'équilibre reproduit et explique parfaitement le motif découvert par Hertzsprung et Russell (Hertzsprung 1905; Russell 1914). Cependant, si la fusion n'était pas opérationnelle pour une raison quelconque, aucun équilibre ne serait atteint et aucun motif ne devrait être observé.

Ce processus peut être utilisé pour calculer l'âge d'une étoile. Dans le cas du Soleil, le résultat correspond bien aux attentes issues de la datation radiométrique du reste du système solaire (environ 4,55 milliards d'années (Strahler 1987), ce qui conduit à un âge prédit du Soleil de 4,563 – 4,576 milliards d'années (Wasserburg 1995)). Guenther & Demarque (1997) trouvent 4,5± 0,1 milliard d'années pour l'âge du Soleil, tandis que Brun & Turck-Chieze & Morel (1998) privilégient un âge plus proche de 4,6 milliards d'années, tout comme Dziembowski et al (1998). Les trois résultats sont en bonne accord avec les prédictions des théories standards de la formation du système solaire. Pour les autres étoiles, les résultats sont moins précis, ce qui est naturel compte tenu de nos connaissances limitées sur elles ; quelques exemples, accompagnés d'une description du processus de datation, peuvent être trouvés chez Ford & Rasio (1998).

Les calculs du modèle solaire standard sont décrits en détail dans diverses œuvres de John Bahcall et collaborateurs (Bahcall 1989; Bahcall & Pinsonneault 1995; Bahcall & Basu & Pinsonneault 1998). Bahcall & Pinsonneault (1995) constitue la revue standard à laquelle la plupart des autres auteurs font référence. Pour une autre excellente revue, présentant de manière détaillée les hypothèses et les complications, ainsi qu'une perspective critique sur Bahcall et al., consultez Dar & Shaviv (1996; également Dar 1998). Deux questions cruciales en physique solaire sont les taux de réactions nucléaires dans les conditions solaires (Adelberger et al 1998; Junker 1998) et l'opacité de la matière solaire (Iglesias & Rogers 1996).

Héliosismologie

Les calculs du modèle solaire ne fournissent qu'une connaissance indirecte de l'intérieur du Soleil, laissant une certaine place à la remise en question et au doute. Le fait que les modèles doivent converger vers une image cohérente du Soleil et soient capables de reproduire les conditions actuelles de la surface en utilisant la physique connue et des conditions initiales raisonnables est, bien sûr, un signe fort que les modèles ne sont pas totalement erronés. Néanmoins, une vérification indépendante serait souhaitable. L'héliosismologie fournit précisément une telle vérification double indépendante du modèle.

La sismologie sur Terre est la science des tremblements de terre, donc l'héliosismologie concerne les tremblements solaires. Et les tremblements solaires peuvent être utilisés pour sonder l'intérieur du Soleil, exactement de la même manière que les sismologues terrestres ont pu cartographier l'intérieur de la Terre en utilisant les tremblements de terre. La manière dont les ondes de choc se propagent dans la matière dépend d'abord de savoir s'il s'agit d'un solide ou d'un fluide. Les ondes de choc provenant de tremblements de terre peuvent être soit des ondes de pression (ondes P), soit des ondes de cisaillement (ondes S). Les ondes P se propagent dans tout (sauf le vide), mais les ondes S ne peuvent voyager que dans un solide. Le fait que les ondes S ne pénètrent pas dans certaines parties du noyau terrestre a conduit à la conclusion que ces parties sont liquides. De même, le fait que nous n'observons aucune onde S dans le Soleil démontre que le Soleil n'est pas solide, mais fluide de bout en bout. Les ondes P sont observées en abondance, à de nombreuses fréquences différentes.

Le soleil vibre et pulse en permanence à diverses fréquences, provoquant des vibrations de surface qui peuvent être observées depuis la Terre. À partir du motif des vibrations de surface, la vitesse des ondes P à différentes profondeurs peut être déduite par une procédure mathématiquement quelque peu ardue que je ne détaillerai pas ici. Gough et al. (1996a) en donnent une introduction, tout comme Bahcall (1989). Pour plus de détails, consultez par exemple Christensen-Dalsgaard (1997) ou Guenther & Demarque (1997), ainsi que les références citées, ainsi qu'une large gamme d'articles dans Science du 31 mai 1996 : (Hathaway et al, 1996; Thompson et al, 1996; Gough et al, 1996b; Hill et al, 1996; Christensen-Dalsgaard et al, 1996; Harvey et al, 1996; Hellemans, 1996). Des introductions non techniques à tous les niveaux (de la maternelle à l'université) peuvent être trouvées à http://solar-center.stanford.edu/heliopage.html .

La vitesse des ondes P est la vitesse du son dans le matériau, qui pour un gaz dépend de la température et de la masse moléculaire moyenne. La vitesse du son à différentes profondeurs dans le soleil peut ainsi être prédite à partir des calculs du modèle solaire standard, et comparée aux mesures héliosismologiques. Brun & Turck-Chieze & Morel (1998) présentent des comparaisons entre le modèle solaire et les mesures héliosismologiques, tant pour la vitesse du son que pour les fréquences vibratoires réelles que les héliosismologistes mesurent. Les fréquences concordent à mieux qu'un microHertz, et les vitesses du son à mieux qu'un pourcentage dans tout le soleil (beaucoup mieux qu'un pourcentage pour la plupart, avec une déviation pleine d'un pourcentage seulement tout près de la frontière convectif-radiatif). Des comparaisons similaires peuvent être trouvées dans de nombreux autres articles récents, tels que Bahcall & Basu & Pinsonneault (1998), ou Christensen-Dalsgaard (1997). La concordance entre le modèle et les données était bonne dès le départ (Christensen-Dalsgaard et al 1996), mais diverses améliorations du modèle solaire (pas en l'ajustant pour qu'il corresponde aux données, mais en tenant compte de processus qui avaient été négligés auparavant, notamment la diffusion) ont encore amélioré l'ajustement (Bahcall 1998).

En résumé, les mesures héliosismologiques confirment fortement les prédictions du modèle solaire standard et contraignent sévèrement les théories non conventionnelles du Soleil.

Problèmes des neutrinos solaires

Les neutrinos sont des particules insaisissables, émises dans une variété de réactions nucléaires et de désintégrations. Ils sont pertinents pour le Soleil, car ils sont un sous-produit inévitable de la fusion nucléaire, et parce qu'ils sont le seul type connu de particule capable de s'échapper du cœur du Soleil sans interagir, apportant ainsi des informations directes sur l'intérieur solaire. Cette possibilité avait été notée tôt, mais les difficultés expérimentales ont retardé la recherche de neutrinos solaires jusqu'aux années 1960, lorsque John Bahcall (1964) a calculé une prédiction spécifique pour le flux de neutrinos, et que Raymond Davis (1964) a proposé de tester cette prédiction. Malheureusement, lorsque les résultats de Davis et al. (1968) sont ensuite arrivés, ils contredisaient la prédiction. C'était la racine de ce qui était connu sous le nom de problème des neutrinos solaires.

Qu'est-ce que les neutrinos ?

Curieusement, le neutrino a d'abord été inventé comme une hypothèse ad hoc, afin de sauver les lois de conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement de la falsification. Vers 1930, lors des premières études détaillées des désintégrations bêta radioactives, il a été constaté qu'une partie de l'énergie et de la quantité de mouvement manquait à chaque désintégration. La désintégration bêta implique la conversion d'un neutron en un proton, accompagnée de l'émission d'un électron, et rien d'autre visible. L'énergie emportée par l'électron devrait correspondre à l'énergie libérée par l'atome lors du processus – mais ce n'était pas le cas ! Wolfgang Pauli a proposé d'expliquer cette discordance en postulant qu'une particule supplémentaire, invisible, était émise avec l'électron, emportant l'énergie et la quantité de mouvement manquantes. Cette « particule fantôme » a été nommée neutrino. (Pour certains des premiers raisonnements de Pauli sur le neutrino, voir Mössbauer (1998).

Aujourd'hui, les hypothèses ad hoc, inventées purement pour sauver nos théories favorites, sont généralement décriées dans la science, et pour de bonnes raisons. Mais l'hypothèse du neutrone a finalement été confirmée, lorsque la particule fantôme a été démontrée comme ayant une existence réelle, plus de vingt ans plus tard. Aujourd'hui, le neutrone est bien établi comme partenaire de l'électron dans notre théorie standard des particules élémentaires. Il possède les mêmes propriétés de base que l'électron et participe aux mêmes interactions, sauf qu'il ne possède pas de charge électrique et a une masse quasi nulle.

De plus, il existe trois familles de particules élémentaires, chaque famille se composant de deux quarks et de deux leptons. Les quarks sont les constituants des protons et des neutrons et ne nous préoccupent pas davantage dans ce contexte. Le terme lepton désigne collectivement les électrons et les neutrinos ainsi que leurs homologues dans les autres familles. L'électron et le (électron-)neutrino forment la paire de leptons de la première famille. Dans les deux autres familles, les équivalents de l'électron sont appelés muon et tau, chacun accompagné de son partenaire neutrino, appelé neutrino-mu et neutrino-tau. Nous avons donc trois leptons chargés différents : l'électron, le muon et le tau ; et trois neutrinos, chacun associé à l'un des trois leptons chargés (bien que ce ne soit que récemment que le neutrino-tau a été réellement observé (Antia 1998))). Les particules correspondantes dans les différentes familles sont identiques, à l'exception de leurs masses différentes.

Neutrinos attendus du soleil

Il semble établi au-delà de tout doute raisonnable, grâce au succès du modèle solaire standard, que le Soleil brille grâce à la fusion nucléaire dans son noyau. Une réaction de fusion implique la fusion de deux noyaux atomiques en un seul. Dans le Soleil, une chaîne de plusieurs réactions de fusion différentes, le long de l'un des quatre environ différents chemins, conduit de quatre noyaux d'hydrogène (protons simples) à un noyau d'hélium (deux protons et deux neutrons). Dans ce processus, deux protons doivent être convertis en neutrons par désintégrations bêta. À chaque désintégration bêta, un neutrino est émis (un neutrino de saveur électronique, c'est-à-dire). Il est donc facile de calculer que, si le Soleil brille par fusion d'hydrogène, il devrait émettre deux neutrinos par chaîne de fusion. Et selon notre théorie standard de la physique des particules, les neutrinos sortiront directement du Soleil sans interagir avec la matière intermédiaire. Le flux total de neutrinos provenant du Soleil devrait être d'environ 200 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 par seconde, correspondant à un flux d'environ 6,5 × 10¹⁰ neutrinos par centimètre carré par seconde atteignant la Terre.

La plupart de ces neutrinos proviennent de la chaîne principale de réactions de production d'énergie dans le soleil : la fusion proton-proton. Malheureusement, les neutrons issus de la fusion proton-proton (pp) ont une énergie très faible. L'énergie dans ce contexte est mesurée en électron-volts (1 eV = 1,6 × 10^-19 Joule), ou en millions d'électron-volts (MeV), et l'énergie des neutrinos pp est inférieure à 0,42 MeV, ce qui les rend difficiles à détecter.

Un nombre plus faible (mais toujours énorme) de neutrinos de plus haute énergie est attendu de diverses réactions secondaires, notamment les désintégrations du bore et du béryllium. Il existe également une chaîne alternative de production d'énergie, la fusion CNO (CNO), où la fusion de l'hydrogène en hélium est catalysée par le carbone. Cette chaîne CNO est censée être la principale source d'énergie dans les étoiles plus grandes et plus chaudes, mais elle ne devrait apporter qu'une contribution modeste dans le soleil. Les neutrinos CNO sont d'ailleurs plus faciles à détecter que les neutrinos pp, chacun ayant trois à quatre fois plus d'énergie.

Les détails du réseau de réactions de fusion solaire peuvent être trouvés dans de nombreuses œuvres, tant en astrophysique qu'en physique des neutrinos, telles que Karttunen et al. (1994) ou Bahcall (1989). Les manuels d'astronomie moins avancés, tels que Pasachoff (1995) ou Zeilik (1994), omettent cependant souvent les réactions secondaires qui sont hautement pertinentes pour les études sur les neutrinos solaires. Un beau diagramme du flux de neutrinos solaires issu du modèle solaire standard, en fonction de l'énergie des neutrinos, peut être trouvé sur la page d'accueil de John Bahcall, http://www.sns.ias.edu/~jnb/ , accompagnée de tonnes d'informations, de données et de logiciels concernant les neutrinos solaires. Si vous êtes sérieux sur le sujet des neutrinos solaires, sa page est une mine d'or !

Expériences sur les neutrinos solaires

Le problème des expériences sur les neutrinos solaires est que les neutrinos sont notoirement difficiles à détecter et à mesurer. (Après tout, ils ont été inventés dans le but de s'échapper inaperçus...) La seule façon de les détecter est par leurs interactions occasionnelles avec la matière lorsqu'ils traversent. Mais la probabilité d'une telle interaction est extrêmement faible ; la grande majorité des neutrinos traversera la Terre sans interagir du tout. Les quelques-uns qui interagissent peuvent le faire de plusieurs manières différentes :

• En rebondissant sur un électron, puis en continuant comme avant. Tous les saveurs de neutrinos peuvent le faire. L'électron est éjecté de son orbitale atomique et peut être détecté. Cela est faisable expérimentalement pour les neutrinos d'énergie cinétique modérée à élevée. "Modérée" signifie ici plusieurs millions d'électron-volts (MeV).
• En rebondissant sur un noyau, puis en continuant comme avant. C'est détectable uniquement si suffisamment d'énergie est transférée pour perturber le noyau, des centaines de MeV dans la plupart des cas – et les neutrinos solaires n'ont pas assez de puissance, donc oubliez-le.
• En interagissant avec un électron ou un noyau, et en étant converti en le lepton chargé correspondant (électron, muon ou tau). Le lepton chargé peut être détecté assez facilement – mais le neutrino doit transporter assez d'énergie pour fournir E=mc² pour la création de son remplacement chargé. Les neutrinos solaires ont assez d'énergie pour créer des électrons, mais pas assez pour les deux autres.
• En effectuant une désintégration bêta inverse sur un noyau. Les neutrinos sont normalement émis lors des désintégrations bêta. Mais certains noyaux peuvent, en effet, inverser le processus en capturant un neutrino. Techniquement, cela relève du point précédent, mais c'est important au point de mériter son propre point, car dans ce cas, il n'est pas nécessaire de surprendre le neutrino en train d'agir – les noyaux "désintégrés à l'envers" resteront en place, et peuvent être comptés à loisir, par séparation chimique (ce sera un élément différent de l'original), ou par leur radioactivité. Cela nécessite une énergie minimale qui est différente pour différents noyaux ; pour quelques-uns, notamment le chlore et le gallium, l'énergie est à la portée des neutrinos solaires. Seuls les neutrinos électroniques peuvent le faire (puisque seuls les neutrinos électroniques sont émis lors des désintégrations bêta).
• Un processus connexe est la "fusion inverse" qui peut se produire lorsqu'un neutrino frappe un noyau de deutérium, le divisant en deux protons.

Le premier expérience de neutrinos solaires (Davis 1964) était basée sur la « désintégration bêta inverse » des atomes de chlore. Elle consistait en un grand réservoir placé en profondeur dans une mine du Dakota du Sud, aux États-Unis. Le réservoir était rempli d'environ 600 tonnes de fluide de nettoyage, le perchloroéthylène, contenant plus de 10³⁰ atomes de chlore. Toutes les quelques jours, l'un de ces atomes était converti en argon par désintégration bêta inverse. Selon le modèle solaire standard, un atome aurait dû être converti tous les jours, mais le taux réellement mesuré n'était pas supérieur à la moitié de cette valeur. En 2002, Davis a reçu le prix Nobel pour son travail pionnier sur les neutrinos solaires.

Le chlore est expérimentalement commode – il est relativement peu coûteux (important lorsque l'on a besoin de centaines de tonnes !), et l'argon résultant est chimiquement agréable, ce qui rend possible de trouver les aiguilles dans la botte de foin et de compter les atomes un par un. Malheureusement, le chlore a un seuil d'énergie trop élevé pour les neutrinos issus de la réaction principale proton-proton du soleil. Il ne détecte que les neutrinos de plus haute énergie provenant des désintégrations du béryllium et du bore, ainsi que de la chaîne CNO. Or, le béryllium et le bore sont produits dans des réactions secondaires mineures dans le soleil qui sont très sensibles à la température exacte du cœur solaire ; il est possible d'ajuster le modèle solaire standard assez pour réduire significativement leur taux de production (Bahcall 1989 ; Dar & Shaviv 1996), sans perturber de manière majeure notre compréhension du fonctionnement du soleil et de celle des neutrinos. Néanmoins, l'écart était troublant.

Le gallium est préférable d'un point de vue physique, car il est sensible également aux neutrinos solaires primaires issus de la fusion proton-proton. Le taux de production de ces neutrinos est fixé par la luminosité du soleil et ne peut être modifié par aucun ajustement mineur du modèle. Avec le gallium, le modèle standard prédit environ 70 SNUs provenant de la fusion pp, et environ 60 autres provenant des autres sources (principalement du béryllium) (Bahcall 1997b). Le gallium est cependant un élément rare et coûteux ; la quantité requise pour une expérience de neutrinos représente une fraction importante de la production mondiale annuelle de cet élément. C'est pourquoi les expériences au gallium n'ont été construites qu'aux alentours de 1990, lorsque deux d'entre elles, nommées GALLEX et SAGE, ont commencé à collecter des données. Les deux expériences fonctionnent depuis plusieurs années maintenant et ont produit essentiellement le même résultat : un flux d'environ 70 SNUs détecté (Altmann 1998 ; Hampel et al 1999). Dans la marge d'erreur, cela correspond au nombre attendu de la fusion proton-proton seule, ne laissant aucune place aux neutrinos provenant du béryllium et d'autres sources. De plus, les deux expériences ont été étalonnées avec un flux connu de neutrinos provenant d'une source terrestre de neutrinos, ce qui exclut pratiquement l'erreur expérimentale comme explication de la discordance des neutrinos solaires.

En parallèle avec les expériences au gallium, une expérience de neutrino complètement différente était en cours : Kamiokande (récemment agrandie, améliorée et renommée Super-Kamiokande). Initialement construite pour rechercher les désintégrations de protons (Kamiokande = Kamioka Nucleon Decay Experiment), elle s'est révélée particulièrement adaptée à l'astronomie des neutrinos. Les neutrinos solaires sont détectés lorsqu'ils entrent en collision avec des électrons – ou plus précisément, la gerbe lumineuse issue de l'électron est détectée. Cela présente l'inconvénient que les neutrinos de basse énergie ne peuvent pas être détectés, de sorte que Kamiokande n'est sensible qu'aux neutrinos issus des désintégrations du bore (et de quelques chaînes secondaires encore plus mineures ; voir par exemple Bahcall & Krastev 1998). Mais il existe également des avantages considérables :

• La direction d'où provient le neutrino peut être déterminée à partir de la trajectoire de l'électron, fournissant des preuves solides que les neutrinos proviennent en réalité du soleil, présenté pour la première fois par Hirata et al. (1990), et ensuite confirmé avec davantage de données (Fukuda et al 1996; Fukuda et al 1998c; Fukuda 1998).
• L'heure d'arrivée du neutrino peut être déterminée avec précision, ce qui rend possible la recherche de variations journalières/nuit ou saisonnières (Fukuda 1998)
• L'énergie de l'électron donne une estimation approximative de l'énergie du neutrino (contrairement aux expériences de rétro-beta, où nous savons seulement que les neutrinos dépassaient un certain seuil d'énergie), ce qui permet de distinguer les neutrinos provenant de différentes chaînes de réactions dans le soleil, et de rechercher d'autres effets dépendants de l'énergie (Fukuda et al 1996; Fukuda 1998).

Ces quatre expériences de neutrinos solaires (une au chlore, deux au gallium et Super-K) étaient jusqu'à récemment les seules. Toutes montrent un déficit significatif de neutrinos, mesurant un flux de l'ordre d'un tiers à un demi de celui attendu. Leurs mesures impliquaient donc que soit le modèle solaire standard était erroné, soit le modèle standard de la physique des particules (et donc le comportement des neutrinos) était erroné. Les données étaient suffisamment solides pour exclure les modèles standards, même si l'on supposait qu'une des expériences était inutile ; trois d'entre elles suffisaient (Hata & Langacker 1997), (ou deux, si les deux n'étaient pas toutes deux au gallium).

• Deux nouveaux et importants expériences de neutrinos solaires ont publié leurs résultats au cours des deux dernières années. GNO (Altmann et al., 2000) est une nouvelle expérience au gallium, plus grande, intentionnée pour ajouter du poids aux données existantes. Mais celle appelée SNO est nouvelle et hautement significative. Elle utilise, entre autres choses, la réaction de « fusion inverse » mentionnée ci-dessus. Cela lui permet de distinguer entre différents saveurs de neutrinos et entre différents types d'interactions de neutrinos, quelque chose que Super-K ne fait qu'avec difficulté, et les expériences de bêta inverse pas du tout. La valeur de ceci est discutée par exemple dans Fogli & Lisi & Montanino (1998) ou Villante & Fiorentini & Lisi (1999). SNO a commencé à prendre des données en 1999 (Sincell 1999), et a maintenant rapporté ses premiers résultats (Ahmad et al 2001a, 2001b, 2002a, 2002b). D'un côté, le nombre de neutrinos électron reste trop faible, comme les autres expériences le voient. Mais ce qui est nouveau, c'est que les résultats de SNO montent sans équivoque que le nombre total de neutrinos, en ajoutant toutes les saveurs, correspondent précisément aux prédictions du modèle solaire standard. En d'autres termes, les neutrinos semblent être convertis d'une saveur à une autre en route, et arrivent comme un mélange de saveurs. Ce type de mélange de saveurs est expliqué dans la section Oscillations de neutrinos ci-dessous.

Solutions aux neutrinos solaires

Le problème des neutrinos solaires a existé pendant trois décennies, au cours desquelles de nombreuses solutions possibles ont été proposées. Le problème n'a jamais été considéré comme un mystère insoluble – il s'agissait davantage de décider entre différentes possibilités. Mais avec les nouvelles données disponibles au cours de l'année dernière, à la fois des nouveaux expériences de neutrinos solaires, et de l'héliosismologie, la plupart des solutions proposées peuvent être exclues, et seules quelques possibilités restent, toutes impliquant une physique des neutrinos modifiée. Les preuves d'un comportement non standard des neutrinos étaient déjà fortes il y a quelques années, et sont maintenant concluantes.

Solution solaire ou solution par neutrinos ?

Les solutions envisageables au problème des neutrinos solaires peuvent être divisées en deux grandes catégories : les solutions solaires, basées sur des modifications du modèle standard du Soleil, et les solutions neutrinos, basées sur des modifications du modèle standard de la physique des particules. L'erreur expérimentale est bien sûr toujours une possibilité, mais avec plusieurs expériences différentes, soigneusement étalonnées et fonctionnant selon deux principes entièrement distincts, toutes donnant des résultats similaires, cette possibilité est devenue improbable.

La possibilité de trouver des erreurs dans le modèle solaire standard a été longuement examinée (voir par exemple Bahcall & Basu & Pinsonneault (1998)), avec la conclusion que, compte tenu de l'excellente adéquation à toutes les autres données, y compris l'héliosismologie, de telles erreurs sont hautement improbables. De plus, de nombreuses personnes différentes ont mis en œuvre leur propre version du modèle, avec leur propre code informatique et de légères différences dans les détails de la physique, sans différences significatives dans les résultats (voir compilation dans fig 1 de Bahcall (1998)). De même, l'élaboration d'un modèle alternatif qui s'adapte aux mesures de neutrinos et s'adapte simultanément à l'héliosismologie et à d'autres données, semble très difficile. Les modèles de Dar & Shaviv (1996) et Cumming & Haxton (1996) se rapprochent le plus, mais un écart significatif de neutrinos subsiste.

Un argument encore plus fort contre une solution solaire est l'analyse de Hata & Langacker (1997). Ils montrent que même si l'on ignore totalement le modèle solaire et que l'on permet aux flux relatifs de neutrinos provenant de différentes sources de varier librement, les écarts en matière de neutrinos ne sont pas éliminés. Il ne sert à rien non plus de supposer que le Soleil n'est pas entièrement alimenté par la fusion ! Hata & Langacker concluent que « ...les solutions [solaires] en général ont des difficultés à moins que toutes les expériences soient fausses, ... » (1997, p. 9). D'autres auteurs ont effectué des calculs similaires, avec des conclusions analogues, par exemple Fiorentini & Ricci (1998), Ricci & Villante & Lissia (1999), ou Bahcall & Krastev & Smirnov (1998) et les références citées (mais voir aussi Dar & Shaviv (1999) qui sont en désaccord).

Une solution solaire ayant été efficacement exclue, à la satisfaction de la plupart des personnes dans le domaine, nous sommes confrontés à une quête d'une solution neutrino. Concernant les solutions dans le domaine de la physique des neutrinos, il existe trois possibilités :

• Spectres d'émission de neutrinos non standards, ou autres anomalies de la désintégration bêta.
• Quelque chose arrive aux neutrinos en leur chemin du cœur du soleil jusqu'ici.
• Interactions de neutrinos non standards dans nos détecteurs.

Le voyage des neutrinos sur de grandes distances astronomiques est évidemment inaccessible aux études de laboratoire, et a pendant longtemps été considéré comme le domaine le plus prometteur pour rechercher des anomalies, qui pourraient expliquer les neutrinos solaires manquants. La conclusion selon laquelle la solution au problème des neutrinos solaires est très probablement la disparition des neutrinos en route a reçu un soutien supplémentaire des rapports récents d'anomalies dans le voyage des neutrinos sur des distances terrestres (Fukuda et al 1998a; Athanassopoulos et al 1997; Oyama 2001; discuté plus en détail ci-dessous), et la question a été enfin tranchée par SNO (Ahmad et al 2002a).

Oscillations de neutrinos

Faire disparaître des neutrinos dans le néant serait hautement problématique, violant entre autres choses la conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement (la préservation de laquelle fut le principal motif de l'invention du neutrino dans un premier temps). Convertir les neutrinos en quelque chose d'autre est une solution beaucoup plus acceptable. Heureusement, il existe de nombreux précédents pour de telles conversions parmi d'autres particules élémentaires, et les spéculations sur la possibilité d'un comportement similaire chez les neutrinos longuent datent du problème des neutrinos solaires (Pontecorvo 1957). Ce processus de conversion est connu sous le nom d'oscillations de neutrinos.

[Maintenant, expliquer comment fonctionnent les oscillations de neutrinos est un peu complexe, car cela dépend d'effets quantiques subtils, et je ne peux pas supposer ici que tous les lecteurs sont familiers avec la théorie quantique. L'explication ci-dessous est de nécessité fortement simplifiée ; si des puristes s'opposent, ils sont les bienvenus pour proposer une meilleure explication.]

Un concept indispensable, mais contre-intuitif, en mécanique quantique est celui de la superposition. Supposons qu'une certaine particule possède une propriété qui peut prendre plusieurs valeurs différentes ; l'exemple classique est celui du chat de Schrödinger (par exemple http://www.upscale.utoronto.ca/PVB/Harrison/SchrodCat/SchrodCat.html), mais je vais en prendre un autre : les cartes à jouer ordinaires ont la propriété « couleur », avec les quatre valeurs possibles « pique », « cœur », « carreau » et « trèfle ». Dans la vie ordinaire non quantique, chaque carte individuelle a une couleur bien définie. Pas du tout en mécanique quantique ! Une carte quantique peut être dans un état mélangé, une sorte de « superposition » de, disons, 30 % de pique, 60 % de cœur et 10 % de trèfle. Lorsque vous vérifiez à quelle couleur appartient cette carte, vous avez 30 % de chances de trouver qu'il s'agit d'un pique, 60 % de chances de trouver qu'il s'agit d'un cœur, et ainsi de suite. Notez que cela n'est pas simplement une question de votre ignorance de la « vraie » couleur de la carte – elle n'a pas une seule couleur bien définie jusqu'à ce que vous la vérifiiez (il y a quelques liens philosophiques en suspens ici, mais n'en parlons pas pour le moment).

En physique des particules, l'équivalent des couleurs sont les trois familles, évoquées plus haut dans la section 'Quels sont les neutrinos ?'. Un neutrino peut appartenir à l'une des trois familles, ce qui en fait un neutrino électronique, ou un neutrino muonique, ou un neutrino tauique. Ou encore, il peut être une superposition des trois saveurs familiales, mêlées dans certaines proportions. Maintenant, le modèle standard suppose que les neutrinos émis par le soleil sont dans un état pur de neutrino électronique, sans mélange. Si cette hypothèse est erronée, cependant, des choses intéressantes peuvent se produire en cours de route.

Un cas similaire, qui a fait l'objet d'études approfondies dans les accélérateurs de particules, est celui du méson K neutre (un méson est une combinaison de deux quarks (ou plus précisément, un quark et un anti-quark), dans le cas du méson K, il s'agit d'un quark 'down' (d) de la première famille, et d'un quark 'étrange' (s) de la deuxième famille). Le méson K neutre (K0) nous amène au concept suivant qui nous intéresse, celui d'un état propre. Pour le dire simplement, un état propre est un état reconnu comme pur, non mélangé, sans superposition, dans un certain contexte. Par exemple, dans le contexte du poker, les quatre tranches normales sont des états propres des cartes dans ce jeu ; une pique non mélangée est reconnue comme une pique, et rien d'autre. Mais dans un jeu différent, les états propres peuvent être différents ! Si vous jouez au whist, les tranches reconnues dans ce jeu comme des tranches pures peuvent (dans un monde quantique) être différentes de celles reconnues comme des tranches pures dans le poker. Une pique de whist peut être un mélange de 80 % de pique de poker et de 20 % de trèfle de poker, et de même pour les autres tranches. Une pique pure de poker serait considérée comme un mélange dans le whist, avec une probabilité de seulement 80 % d'être reconnue comme une pique de whist. Dans les jeux de cartes, cela semble absurde – mais en physique des particules, c'est exactement ce qui se produit. Différents « jeux » – différentes interactions – reconnaissent et interagissent chacun avec un ensemble différent d'états propres pour les particules.

Les « jeux » pertinents joués dans le monde subatomique sont :

• Interactions « fortes », uniquement entre les quarks ; la force majeure au sein des noyaux.
• Interactions électromagnétiques, entre toutes les particules chargées.
• Interactions « faibles », dans lesquelles toutes les particules peuvent être impliquées ; la force derrière les désintégrations bêta.
• Masse. La manière dont les particules se déplacent entre les interactions (ainsi que beaucoup d'autres choses) est déterminée par leurs états propres de masse.

Pour la plupart des particules et la plupart des interactions, ce n'est pas un problème ; les états propres différents sont identiques, autant que nous puissions le dire. Mais les interactions faibles ne se conforment pas toujours à cela. Les états propres faibles des quarks diffèrent de leurs états propres forts/électromagnétiques. Ceci est bien établi expérimentalement ; voir par exemple Halzen & Martin (1984) ou Parodi & Roudeau & Stocchi (1999). Les mésons K0 sont produits dans des interactions fortes de quarks, mais se désintègrent par des interactions faibles de leurs quarks constituants. D'autres subtilités sont impliquées, mais pour faire court, le résultat final est que les états propres de production diffèrent des états propres de voyage/désintégration des K0. Les états propres de voyage/désintégration sont appelés K0_long et K0_short, en raison de leurs durées de vie plus longues et plus courtes. Ainsi, un K0 est produit comme un état propre d'interaction forte pur, mais ce n'est pas un état propre de voyage/désintégration. Dès qu'il s'éloigne du point de production, il voyage comme un mélange de K0_long et K0_short, les états propres de voyage.

À présent, si K0_long et K0_short se déplaçaient exactement à la même vitesse, ils resteraient « en phase » l'un avec l'autre, et le mélange ne serait pas perceptible. Cependant, leur masse est légèrement différente, ce qui entraîne une différence de vitesse, les faisant sortir de synchronisation au fur et à mesure de leur déplacement. Expérimentalement, cela se manifeste par une variation du rapport de mélange en fonction de la distance parcourue, oscillant entre deux extrêmes. De nombreux expériences ont été réalisées sur les mésons K0, confirmant l'existence de ces oscillations. (Voir par exemple Perkins (1982) pour plus de détails). Des oscillations similaires ont été prédites théoriquement pour les mésons B0 (l'équivalent de la troisième famille du méson K0 de la deuxième famille), et ont maintenant été observées expérimentalement (Schröder 1987; Abe et al 1999, et les références citées).

En ce qui concerne l'interaction faible, les leptons sont supposés se comporter de la même manière que les quarks. Il serait donc naturel d'attendre des effets de mélange similaires entre les leptons. Plus précisément, les neutrons occupent la place correspondante dans les familles de leptons, tout comme les quarks constituants K0 et B0 le font dans les familles de quarks, de sorte que le mélange serait principalement attendu entre les neutrinos. Cependant, comme pour les mésons K0, le mélange serait indétectable si tous les neutrinos avaient la même masse. Et autant que nous pouvons le déterminer par des mesures directes, les trois neutrinos ont bien la même masse, à savoir zéro (Klapdor-Kleingrothaus & Staudt 1995; Ackerstaff et al 1998). Ainsi, dans le modèle standard de la physique des particules, il a été simplement supposé que les neutrinos avaient une masse nulle, mais il est une modification simple du modèle d'insérer une masse appropriée.

Si les neutrinos ont une masse infime et que les différents neutrinos ont des masses différentes, ils se comporteront de la même manière que les mésons K0. Ils seront produits dans un état propre d'interaction faible, mais voyageront dans un état propre de masse, qui peut être différent de l'état propre faible. (Les états propres d'interaction faible sont les trois saveurs de neutrinos évoquées précédemment : neutrino électronique, neutrino muonique, neutrino tau.) Lorsqu'ils arrivent et interagissent dans nos détecteurs, ils n'arrivent pas sous la forme de l'état propre faible original dans lequel ils ont été produits, mais sous forme d'un mélange de deux ou plusieurs saveurs. Cela constituait toujours une solution potentielle au problème des neutrinos solaires, puisque les expériences solaires originales ont mesuré une disparition apparente des électron-neutrinos, sans mesurer les autres saveurs. Si les neutrinos oscillent du 100 % de neutrinos électroniques dans lesquels ils sont produits dans le Soleil, vers un mélange d'environ 40 % de neutrinos électroniques et 60 % d'autres neutrinos, nous obtenons une concordance assez bonne avec les données expérimentales. Et maintenant que SNO a confirmé que les autres 60 % existent bel et bien sous d'autres saveurs de neutrinos, le problème est effectivement résolu.

N'oubliez pas également que ce mélange est un processus oscillant, qui va et vient. À une certaine distance (et deux, trois, quatre fois cette distance, etc.) du point de production, les neutrinos auront effectué un cycle d'oscillation complet et seront revenus à l'état dans lequel ils ont commencé. À la moitié de cette distance (et 1,5, 2,5, etc., fois cette distance), le mélange sera maximal. Cette échelle de distance d'oscillation dépend de la différence de masse entre les neutrinos et de l'énergie des neutrinos. Une petite différence de masse et une énergie élevée signifient une très longue distance d'oscillation.

Avec les neutrinos solaires, la distance est connue, 150 millions de kilomètres, et l'énergie est connue. Mais le fait que les neutrinos solaires provenant de différentes chaînes de fusion aient des énergies différentes, peut entraîner leur arrivée sur la Terre à des points différents de leurs cycles d'oscillation. Cela pourrait expliquer l'écart apparemment plus grand pour les neutrinos provenant du béryllium que pour ceux provenant soit de la fusion du bore, soit de la fusion proton-proton. De plus, la distance varie le long de l'orbite elliptique de la Terre autour du Soleil, causant un effet saisonnier, qui serait une signature de « preuve irréfutable » pour les oscillations de neutrinos. Aucun tel effet n'a été observé à ce jour, mais les statistiques sont toujours trop pauvres pour l'exclure.

À part les effets d'oscillation dus uniquement à la distance de parcours, il existe un autre mécanisme d'oscillation qui peut être pertinent pour les neutrinos solaires (comme c'est le cas pour les mésons K0). Les différents saveurs de neutrinos ont des probabilités d'interaction différentes lors de leur sortie du soleil. Dans le cas d'un mélange de neutrinos, les différentes composantes du mélange subiront des interactions différentes, éliminant des fractions différentes d'entre elles du mélange. Le résultat est un mélange modifié, qui parcourra ensuite l'espace jusqu'à la Terre, arrivant éventuellement sous une saveur différente de celle qui a été initialement produite.

Cette conversion de neutrinos dans la matière est appelée effet Mikheyev-Smirnov-Wolfenstein (MSW), nommé d'après les personnes qui l'ont découvert (Wolfenstein 1978 ; Mikheyev & Smirnov 1985). Un compte rendu complet, bien que quelque peu technique, de l'effet MSW (ainsi que des oscillations ordinaires (dans le vide) des neutrinos) peut être trouvé chez Klapdor-Kleingrothaus & Staudt (1995). Une signature claire de l'effet MSW serait une différence dans le flux de neutrinos mesuré entre le jour et la nuit, car la nuit les neutrinos doivent traverser la Terre et subir une conversion MSW supplémentaire.

Les oscillations de neutrinos constituent aujourd'hui la solution la plus prometteuse parmi celles proposées pour résoudre le problème des neutrinos solaires. Mais jusqu'à récemment, le Soleil n'avait fourni aucune preuve directe que des oscillations se produisaient bel et bien. La mesure SNO des neutrinos solaires d'autres saveurs que les neutrinos électroniques est, en revanche, une preuve irréfutable. Les neutrinos mu- ou tau- provenant du Soleil doivent être des neutrinos électroniques convertis par oscillation, puisque de tels neutrinos ne sont pas produits dans le Soleil.

Expériences sur les neutrinos non solaires

À part les expériences de neutrinos solaires, il existe une multitude d'autres expériences de neutrinos en cours, dont plusieurs cherchent à détecter les oscillations de neutrinos et des phénomènes connexes. Au cours des deux dernières années, des résultats positifs ont été rapportés par certaines d'entre elles, apportant un soutien au concept d'oscillations de neutrinos.

Le résultat le plus solide concernant l'oscillation des neutrinos non solaires à ce jour provient de Super-Kamiokande. Super-K est une expérience très versatile, capable de détecter des neutrinos provenant de nombreuses sources différentes autres que le soleil. Une source de neutrinos importante ici sur terre provient des interactions des rayons cosmiques avec l'atmosphère terrestre. Les rayons cosmiques pertinents sont constitués principalement de protons à haute énergie, qui interagissent avec les noyaux dans l'air, produisant des gerbes de particules subatomiques, dont certaines subissent une désintégration bêta en chemin vers le sol. Ces désintégrations bêta donnent un flux de neutrinos d'énergie moyenne à élevée qui frappent la surface de la terre, traversent la planète et ressortent de l'autre côté. Si les neutrinos n'oscillent pas, on s'attendrait à ce que le même nombre de neutrinos remonte à travers le sol que celui qui est descendu de l'autre côté. Super-K observe cependant une différence significative. Une fraction substantielle des mu-neutrinos semble disparaître en traversant la terre. Pour les présentations du groupe Super-K, voir (Fukuda et al 1998a, b, d; Learned et al 1998; Super-Kamiokande 1998) ; pour les perspectives, voir (Normile 1998b; Wilczek 1998).

Des résultats similaires ont également été rapportés à partir de l'expérience MACRO en Italie (Ambrosio et al 1998; Spurio 1998), et de Soudan2 et IMB (Gonzalez-Garcia et al 1998), bien que toutes aient des statistiques moins bonnes et une systématique moins précise que Super-K. Les résultats négatifs antérieurs de Frejus et NUSEX (Gonzalez-Garcia et al 1998) ont des incertitudes statistiques si grandes qu'ils sont compatibles, dans les marges d'erreur, avec les résultats de Super-K.

Les recherches sur les oscillations des neutrinos atmosphériques complètent celles des neutrinos solaires en ce qu'elles utilisent des neutrinos de plus haute énergie et parcourant une distance plus courte, investiguant ainsi une gamme différente de différences de masse possibles des neutrinos. Une autre gamme est explorée dans les expériences d'accélérateurs, où des neutrinos de haute énergie sont créés dans des accélérateurs de particules et laissés parcourir une certaine distance. De nombreuses expériences de ce type ont été réalisées, la plupart avec des résultats négatifs (voir par exemple Klapdor-Kleingrothaus & Staudt (1995) et les références citées, ou Altegoer et al (1998), CHORUS (1998), Armbruster et al (1998)). Cependant, il y a eu, l'année dernière, une affirmation selon laquelle des oscillations de neutrinos avaient été observées par l'expérience LSND (Athanassopoulos et al 1997; Glanz 1996). Le résultat de LSND n'est pas universellement accepté, bien qu'il indique une différence de masse de neutrino beaucoup plus grande que celle trouvée par Super-K ou suggérée par les neutrinos solaires. Un autre résultat positif, plus cohérent avec l'ensemble que LSND, peut être trouvé dans les rapports préliminaires de l'expérience K2K (Oyama 2001), dans laquelle un faisceau de neutrinos provenant d'un accélérateur est dirigé vers Super-K depuis une distance de quelques centaines de km.

Les réacteurs nucléaires constituent une autre source de neutrinos, et plusieurs expériences ont cherché des oscillations de neutrinos près des réacteurs. La plus récente, CHOOZ (Apollonio et al 1997), exclut une grande fraction des explications possibles pour les résultats de Super-K. Une expérience plus grande, KAMLAND (Dazeley 2002), un autre descendant de Kamiokande, vient de commencer à prendre des données.

La physique des neutrinos est en général un sujet expérimental « chaud » aujourd'hui, avec beaucoup de travaux en cours, non seulement sur les oscillations de neutrinos, mais aussi sur d'autres aspects de la physique des neutrinos, ainsi que sur l'astronomie des neutrinos. Pour ne citer que quelques exemples : le lac Baïkal (Balkanov et al 1997), ANTARES (Moorhead 1998b), et enfin, mais non des moindres, mes propres modestes contributions dans les groupes PAN (Johansson 1991) et AMANDA (Askebjer et al 1995 ; Halzen 1997). Des revues peuvent également être trouvées par exemple chez Petrera (1998) ou Klapdor-Kleingrothaus & Staudt (1995). Pour une revue des questions théoriques ouvertes, voir Haxton (1998).

Solutions proposées

Les résultats sur les neutrinos solaires peuvent être expliqués soit par des oscillations simples, soit par l'effet MSW. Les différences de masse et les paramètres de mélange impliqués par le déficit de neutrinos solaires sont discutés dans diverses œuvres, par exemple Bahcall (1997a). Avec les nouvelles preuves convaincantes des oscillations de neutrinos présentées par Super-Kamiokande (Fukuda et al 1998a), un grand nombre de personnes ont présenté une variété de propositions pour modifier le modèle standard de la physique des particules, afin d'intégrer les oscillations de neutrinos. Trois catégories de solutions proposées émergent :

• En conservant l'essentiel du modèle standard, en remplaçant simplement les masses nulles des neutrinos par certaines valeurs non nulles appropriées. Sans douleur et simple, mais pas très excitant (sauf s'il y a quelque chose d'étrange avec la nouvelle masse du neutrino, comme la proposition de tachyon neutrino d'Ehrlich (1999)). Des exemples incluent Jarlskog et al (1999), Fritzsch & Xing (1998), Barger & Weiler & Whisnant (1998), Jezabek & Sumino (1998), Chikira & Haba & Mimura (1998), Barbieri et al (1998), Esposito & Tancredi (1997), Akhmedov et al (1998), Thun & McKee (1998), Conforto et al (1998), Xing (1998) et aussi, sans nul doute, le gars qui a reçu le prix Nobel pour avoir inventé notre théorie standard actuelle des interactions des neutrinos, Sheldon Glashow (Georgi & Glashow 1998; Glashow & Kernan & Krauss 1998). Même ainsi, il est un peu délicat de concilier tous les résultats expérimentaux, tant solaires, atmosphériques, que des expériences d'accélérateur/réacteurs (Barger & Pakvasa & Weiler & Whisnant 1998a; Kang & Kang 1998; LoSecco 1998; Ahluwalia 1998).
• Ajouter un quatrième neutrino (par exemple Lipmanov (1998), Bilenky & Giunti & Grimus (1998) ou Liu & Smirnov (1998)). Également assez simple, sauf qu'il existe des contraintes expérimentales solides sur le nombre de neutrinos, tant de la physique des particules (par exemple Aarnio et al (1989), et de la cosmologie (Schramm & Turner 1998; mais voir aussi Pal (1998), Valle (1998) et Kirilova & Chizhov (1998)), le limitant à trois. Un quatrième neutrino doit échapper à ces contraintes, et donc il doit être fondamentalement différent des trois autres, et encore plus insaisissable (Barger & Pakvasa & Weiler & Whisnant 1998b). Les solutions à trois et quatre neutrinos sont comparées par Yasuda (1998) et Gonzalez-Garcia et al (1999).
• Remplacer les fondements du modèle standard par quelque chose de plus exotique, comme la supersymétrie (Chun et al 1998; King 1998; Brooijmans 1998) ou une version de la grande unification (Pati 1998; Nomura & Yanagida 1998; Bando & Yoshioka 1998), ou d'autres nouveautés (Joshipura 1998; TBarenboim & Bernabeu & Jarlskog 1995; Elwood & Irges & Ramond 1998; Ahluwalia 1998).

Toutes les solutions proposées prétendent être cohérentes avec les données disponibles (ou, dans certains cas, prétendent que certaines des données, le plus souvent LSND, devraient être écartées comme insuffisamment établies), et beaucoup d'entre elles sont assez similaires, du moins en ce qui concerne les aspects accessibles expérimentalement. De nouvelles expériences sont nécessaires pour distinguer entre les modèles. Pour l'instant, cependant, la conclusion doit être qu'il n'y a pas de pénurie de solutions de neutrinos au problème des neutrinos solaires.

Conclusions sur les neutrinos

Avec l'arrivée des résultats du SNO, nous avons atteint un consensus solide : les oscillations de neutrinos sont bien en cours. Le problème des neutrinos solaires seul était suggestif mais pas une preuve convaincante ; les résultats sur les neutrinos atmosphériques ont scellé le cas du comportement non standard des neutrinos, et le SNO a confirmé que cela résolvait le problème des neutrinos solaires. Cela signifie également que nous pouvons être assez confiants que le modèle solaire standard est une approximation proche de ce qui se passe dans le soleil, puisque sa prédiction pour le flux total de neutrinos est confirmée avec une bonne précision par le résultat du SNO. Les détails de la nouvelle physique des neutrinos ne sont pas encore entièrement élucidés, et plusieurs scénarios d'oscillation différents restent plausibles, mais de nouvelles données expérimentales sont en route et devraient résoudre les problèmes mineurs restants dans quelques années.

Arguments créationnistes solaires

Une grande partie de ce qui a été écrit sur le soleil dans les sources créationnistes se concentre sur son âge. Les 4,5 milliards d'années standards sont bien sûr anathème pour un créationniste de la Terre jeune. Ainsi, diverses tentatives sont faites pour soutenir un âge plus jeune, en notant correctement qu'un soleil jeune implique une origine récente de la vie sur la Terre (mais en passant sous silence le fait que le contraire est également vrai ; les preuves d'une longue histoire de la vie sur la Terre impliquent un soleil ancien).

Réduction

Il existe deux lignes d'argumentation différentes concernant un soleil qui rétrécit. La première fait référence directement à la théorie classique de Kelvin-Helmholtz sur le rayonnement du soleil par contraction gravitationnelle. La seconde ligne repose sur une prétendue variation de la diamètre mesuré du soleil.

La théorie de la contraction gravitationnelle était une science mainstream parfaitement respectable au XIXe siècle. Comme décrit dans la section historique ci-dessus, elle a été abandonnée au début du XXe siècle, pour de bonnes raisons scientifiques qui n'avaient rien à voir avec le créationnisme. Certains créationnistes, notamment Barnes (1974), semblent être ignorants des développements scientifiques au-delà de 1895 environ, et continuent d'invoquer les arguments de Kelvin comme s'ils étaient toujours valables. Mais même si nous ne savions rien sur la fusion nucléaire (ou si la fusion, pour une raison quelconque, ne fonctionnait pas dans le soleil), la réfutation de la théorie de la contraction gravitationnelle par Eddington (1920; 1924) resterait solide. Ceci contredit directement les affirmations d'Akridge (1980), selon lesquelles la théorie a été abandonnée uniquement parce que l'évolution nécessitait plus de temps : "Les scientifiques n'ont pas toujours attribué la source d'énergie du soleil à la fusion thermonucléaire. Avant la découverte de la fusion thermonucléaire, Helmholtz a prédit que l'énergie du soleil était fournie par l'effondrement gravitationnel du soleil. Ce modèle a été accepté jusqu'à ce que la théorie de l'évolution commence à dominer la scène scientifique. Alors, l'explication de Helmholtz a été rejetée car elle ne fournissait pas l'immense durée requise par la théorie de l'évolution organique sur la Terre. La théorie substitutive a été introduite par Bethe dans les années 1930 précisément parce que la fusion thermonucléaire était la seule source d'énergie connue capable de durer sur les vastes périodes requises par l'évolution. La science pourrait maintenant être sur le point de réfuter le modèle évolutif substitutif du soleil." (ibid, p 3). La dernière phrase d'Akridge est également trompeuse, en ce que le modèle standard du soleil n'est pas « évolutif » dans aucun sens lié à l'évolution darwinienne dont il parle ailleurs dans la citation (et bien sûr également trompeur en ce que la science n'est nulle part près de le réfuter).

Akridge (1980) est également la source principale pour l'autre ligne d'argumentation, affirmant que le rétrécissement du soleil a été mesuré. Il fonde cette affirmation entièrement sur les résultats d'Eddy & Boornazian (1979). Étonnamment, il apparaît néanmoins qu'il n'a même pas lu leur article – il ne le cite pas directement, mais seulement une vulgarisation (Lubkin 1980, voir la référence dans Akridge 1980). Il est également intéressant de noter qu'Akridge implique que E&B ont observé 400 ans de rétrécissement, alors que le titre de l'article d'E&B est 'Diminution séculaire du diamètre solaire, 1863-1953', couvrant une période de seulement 90 ans. Malgré ces (et d'autres) défauts évidents, l'affirmation d'Akridge est néanmoins devenue un argument standard du créationnisme, répété dans de nombreuses publications créationnistes, de Brown (1995) à Molén (1991).

Strahler (1987) examine les données disponibles au moment de la rédaction d'Akridge, et les met en contraste avec la présentation d'Akridge (1980). Il note que

1. Eddy & Boornazian (1979) eux-mêmes n'interprètent pas leur résultat comme une preuve d'un changement en cours. Leur interprétation de leurs propres données est rejetée sans hésitation par Akridge (1980).
2. D'autres mesures, ne montrant aucune réduction significative, étaient disponibles en 1980, mais ont été complètement ignorées par Akridge (1980).
3. Les mesures ultérieures, publiées entre 1980 et 1987, ne soutiennent pas la thèse d'Akridge.

Une mesure récente du diamètre solaire est celle de Brown & Christensen-Dalsgaard (1998). À partir de données recueillies sur la période 1981-1988, ils rapportent un rayon de 695 508 ± 26 km, sans preuve de changement au cours du temps. La question de la définition de la surface est discutée en détail, aboutissant à la conclusion que leur définition est d'environ 500 km plus petite que celle utilisée dans la plupart des estimations précédentes. Même sur une période aussi courte, leur série temporelle est suffisante pour exclure un rétrécissement en cours au taux d'Arkridge de cinq pieds par heure, bien qu'à un niveau de confiance statistique modeste. J'ai extrait les données de la figure 2 de Brown & Christensen-Dalsgaard (1998) et effectué une régression linéaire, constatant que la meilleure adéquation aux données est une légère, statistiquement insignifiante, croissance du diamètre du soleil. Aucun soutien whatsoever pour le rétrécissement.

Pour une base de temps légèrement plus longue, j'utiliserai la valeur issue d'Allen (1973), citée à la fois par Brown & Christensen-Dalsgaard (1998) et par Castellani & Degl'Innocenti & Fiorentini (1998) comme valeur de référence standard avant les années 1990. En partant des travaux de Brown & Christensen-Dalsgaard (1998), j'ai recalculé à la fois leur mesure et celle d'Allen (1973) selon ce que je crois être la même définition de surface, obtenant ainsi une valeur pour le diamètre angulaire du soleil de 1919,31 ± 0,19 secondes d'arc en 1973, et 1919,359 ± 0,018 secondes d'arc en moyenne entre 1981 et 1988. La rétraction alléguée d'Akridge correspondrait à environ 0,25 seconde d'arc sur la même période, sans aucune trace visible. Il semble que le soleil ait cessé de se rétracter.

Neutrinos et fusion solaire

La fusion est la seule source d'énergie connue capable de maintenir le soleil en activité pendant des milliards d'années. La pénurie de neutrinos provenant du soleil a été invoquée par plusieurs créationnistes comme preuve qu'il y a quelque chose de faux dans le modèle solaire standard et comme démonstration que le soleil ne peut pas avoir des milliards d'années. Cet argument est étroitement lié à la rétraction discutée dans la section précédente ; Davies (1996) conclut que, en raison du manque de neutrinos, le soleil doit encore tirer la majeure partie de son énergie de la contraction gravitationnelle, et est donc jeune. Pourtant, Davies admet que certaines réactions de fusion ont lieu, produisant ces neutrinos que nous observons. Walter Brown (1995) a également invoqué la pénurie de neutrinos comme preuve contre le modèle solaire standard (ainsi qu'une pléthore d'autres erreurs astrophysiques), et cela est également répété (ainsi qu'un ensemble similaire d'erreurs astrophysiques) dans l'Encyclopédie Création-Évolution de Harvestime Books (http://www.pathlights.com/ce_encyclopedia/Index.htm). Akridge (1980) attribue également la majeure partie de l'énergie solaire à la contraction gravitationnelle, mais il rencontre le problème inverse – son modèle de soleil rétrécissant fournit deux ordres de grandeur trop d'énergie gravitationnelle ! Sur la fusion, il dit seulement que « toute cette [énergie du] soleil ne provient pas de la fusion thermonucléaire. » (ibid, p. 3), laissant ouverte la question de ce qu'il faut faire du surplus et de la manière de le concilier avec les résultats des neutrinos solaires.

Concernant le manque de neutrinos solaires en tant que « preuve » qu'il n'y a pas (ou pas assez) de fusion dans le soleil (par exemple, Snelling 1997, Oard 1995), je crois que cet argument a été amplement réfuté dans les sections précédentes de ce FAQ. Il existe des preuves solides que le déficit apparent de neutrinos solaires est dû aux oscillations de neutrinos, et non à toute insuffisance du modèle de fusion solaire. Cela a reçu un soutien indépendant à la fois des résultats d'oscillations de neutrinos solaires et terrestres, et il existe également plusieurs lignes d'évidence indépendantes en faveur du modèle solaire standard, avec fusion. Un modèle du soleil comme une étoile jeune, dont une grande fraction de son énergie provient de la contraction gravitationnelle, est incompatible avec sa couleur et sa luminosité actuelles, et grossièrement incompatible avec les résultats héliosismologiques. Le fait que le soleil ne puisse plus être en phase de contraction a été établi dès les années 1920, bien avant la découverte de la fusion.

Sarfati (2000/2002) est un autre créationniste qui, dans la version originale de 2000 de son article, a invoqué le problème des neutrinos solaires comme preuve contre la fusion dans le soleil. Cependant, dans la version en ligne de son article à http://www.answersingenesis.org/docs/4180.asp il y a une note ajoutée en mai 2002, après la publication des résultats du SNO : "Ceci est cohérent avec d'autres lignes de preuves que la fusion est la source principale d'énergie, par exemple la température du cœur. Cela signifie que les neutrinos doivent avoir une masse de repos très faible après tout—les données expérimentales doivent primer sur les théories des physiciens des particules selon lesquelles les neutrinos ont une masse de repos nulle. Par conséquent, les créationnistes ne devraient plus invoquer le problème des neutrinos manquants pour nier que la fusion est la source principale d'énergie pour le soleil." Ceci est une honnêteté louable -- mais ensuite il gâche la bonne impression en insérant une citation totalement obsolète de seconde main (de Eddy 1978) dans la même note comme si elle avait encore quelque pertinence.

À titre d'aside, le créationniste Unruh (1995) semble accepter le modèle solaire standard et reconnaît explicitement que la fusion est la principale source d'énergie. Mais il commet d'autres erreurs astrophysiques, comme affirmer que "Il est un fait connu que la plupart des étoiles produisent de la lumière visible dans de petites proportions et sont les plus intenses dans leur émission de radiations létales comme les rayons X et les rayons gamma." (ibid, p. 3). Toutes les étoiles de la séquence principale émettent une grande fraction de leur rayonnement sous forme de lumière visible. La preuve est disponible chaque nuit étoilée : si les étoiles ne brillaient pas avec beaucoup de lumière visible, nous ne les verrions pas dans le ciel ! Il note également, correctement, que la majorité des étoiles sont plus petites que le soleil – mais il enchaîne ensuite en affirmant que le soleil est unique, ignorant le fait que même la minorité des étoiles de type G (à laquelle appartient le soleil) compte des milliards d'étoiles dans la Voie lactée seule.

Lithium, béryllium et héliosismologie

À part le déficit de neutrinos solaires discuté ci-dessus, Davies (1996) présente deux autres arguments pour un soleil jeune :

• "L'oscillation fondamentale du Soleil correspond à celle d'une étoile jeune." (ibid, p 1)
• "L'abondance de lithium et de béryllium dans le Soleil est cohérente avec celle d'une étoile jeune." (ibid, p 3)

Davies (1996) soutient que les preuves indiquent un Soleil homogène, avec un cœur parfaitement mélangé. La possibilité d'un cœur mélangé a en effet été envisagée et discutée au début des années soixante-dix, mais lorsque les prédictions des modèles à cœur mélangé sont comparées aux mesures héliosismologiques récentes, il est constaté que tous les modèles impliquant un mélange à grande échelle peuvent être fermement exclus (Degl'Innocenti & Ricci 1998; Richard & Vauclair 1997; Stix 1998). Cela est implicite également dans les mesures récentes de l'âge du Soleil (discuté ci-dessus), qui excluent également la possibilité d'un Soleil homogène jeune (Guenther & Demarque 1997; Brun & Turck-Chieze & Morel 1998).

Néanmoins, de faibles quantités de mélange sont indiquées par les données héliosismologiques (Brun & Turck-Chieze & Zahn 1998), non pas en profondeur dans le cœur, mais à la frontière entre les zones radiative et convective du soleil. Ce mélange superficiel, cependant, ne contribue en rien à étayer l'argument de Davies (1996) en faveur d'un soleil jeune. Au contraire, il sert à affaiblir son autre argument, celui concernant le béryllium et le lithium dans le soleil.

Le lithium et le béryllium sont deux éléments légers, tous deux estimés avoir fait partie de la composition chimique originale du soleil à certaines (faibles) concentrations. Les deux éléments sont facilement consommés par la fusion, le lithium un peu plus que le béryllium : il faut une température d'environ 2,5 millions de degrés pour « brûler » le lithium, tandis que le béryllium nécessite 4 millions de degrés (à comparer avec la température actuelle du cœur du soleil, d'environ 15 millions de degrés).

Étrangement, comme Davies (1996) le souligne correctement, la matière de la surface du soleil conserve tout son béryllium original (Balachandran & Bell 1998), tandis que le lithium est sévèrement appauvri. De là, on peut conclure que la matière de surface a été exposée à une température de 2,5 millions de degrés, mais pas à 4 millions de degrés. Davies procède ensuite à affirmer cela comme une preuve que la température du cœur du soleil n'a pas encore atteint 4 millions de degrés, impliquant, bien entendu, que le soleil est encore jeune et n'a pas encore amorcé correctement sa fusion.

Des calculs minutieux de la quantité de mélange entre la matière de surface et celle du noyau dans les jeunes étoiles aboutissent, cependant, à la prédiction qu'aucune quantité significative ni de lithium ni de béryllium ne devrait être perdue dans des étoiles de la taille du Soleil durant leur phase de contraction initiale, dans laquelle Davies souhaite placer le Soleil. Cette prédiction est confirmée par les observations des étoiles nouvellement nées, qui conservent encore leur lithium original. Le lithium est perdu plus tard, durant la vie de séquence principale des étoiles (Bahcall & Pinsonneault 1995).

Une faible quantité de mélange le long de la frontière entre la zone convective de surface et la zone radiative du noyau, similaire à celle trouvée par Brun & Turck-Chieze & Zahn (1998), peut expliquer ce lent appauvrissement en lithium. Les calculs de Blöcker et al (1998) donnent la quantité exacte de mélange nécessaire pour reproduire l'abondance actuelle de lithium en surface (tout en conservant le béryllium), trouvant une solution cohérente avec un Soleil âgé de 4,5 milliards d'années. D'autres solutions proposées pour le déficit en lithium existent également ; voir les références dans Blöcker et al (1998).

En conclusion, l'un des arguments de Davies est tout simplement obsolète, et l'autre sert à confirmer l'ancienneté du soleil, plutôt que de prouver sa jeunesse.

Soleil jeune pâle

Le soi-disant « paradoxe du jeune soleil pâle » fait référence au fait que, selon le modèle solaire standard, le soleil augmente lentement sa luminosité au fil des milliards d'années. Pendant la durée de vie sur Terre, soit près de 4 milliards d'années, la production d'énergie du soleil a augmenté d'environ 25 % (Sagan & Chyba 1997). Malgré cette augmentation du chauffage solaire, le climat ici a été suffisamment stable pour permettre à la vie de se poursuivre.

Faulkner (1998) invoque le paradoxe du jeune soleil pâle comme preuve que le soleil est jeune. Les explications orthodoxes du paradoxe (à laquelle nous reviendrons ci-dessous) sont rejetées comme trop improbables, sauf s'il existe une intelligence dirigeante derrière elles. Si la Terre a été récemment créée (presumably avec un soleil artificiellement vieilli, pour correspondre à sa luminosité actuelle, qui n'est en effet pas celle d'une étoile de 6000 ans), le paradoxe est trivialement résolu, car il n'y a eu aucun temps pour qu'une modification notable de la luminosité se produise.

Cependant, l'argument de Faulkner est moins que parfaitement convaincant, pour plusieurs raisons. Le lien entre l'émission solaire et le climat terrestre est loin d'être simple. Il y a également de légères erreurs trompeuses dans son raisonnement, comme le fait de citer une variation de 40 % de la luminosité depuis 4,6 milliards d'années, plutôt que la variation de 25 % plus intéressante depuis le début de la vie, un peu plus tard. Le climat avant le début de la vie est tout à fait sans importance, tout comme toute variation de luminosité avant cette époque. Choisir le bon point de départ vous permet de sélectionner n'importe quelle variation que vous souhaitez — la luminosité du soleil était de 100 % inférieure il y a 6 milliards d'années, lorsqu'il ne brillait pas du tout...

Il convient également de noter qu'une variation de 25 % (ou 40 %) de la production solaire ne se traduit pas par une variation correspondante de la température sur Terre. En premier lieu, la température est déterminée par l'équilibre entre l'afflux et l'efflux de chaleur. L'afflux est directement proportionnel à la luminosité solaire, mais l'efflux est, à première approximation, proportionnel à la quatrième puissance de la température de la Terre ( loi de Stefan-Boltzmann ; consultez n'importe quel manuel de physique). En l'absence de tout effet de rétroaction, une variation de 25 % de la luminosité solaire se traduit par une variation de 7 % de la température de surface ici, ce qui n'est pas nécessairement létal ; il s'agit de la même ordre de grandeur que la différence entre les climats tropicaux et arctiques d'aujourd'hui, ce qui est supportable.

Il existe, cependant, beaucoup de rétroactions dans le système climatique de la Terre, à la fois positives et négatives. Faulkner note, tout à fait correctement, que les rétroactions positives non contrôlées seront fatales, comme cela s'est produit sur Mars et Vénus (dans des directions opposées). Il affirme également que toute rétroaction négative doit être soigneusement « réglée » pour gérer le grand changement d'insolation, et juge que ce réglage fin dans un cadre naturaliste est moins plausible qu'une création divine récente.

Le système de rétroaction de la Terre est hautement complexe, mais deux facteurs majeurs peuvent être discernés :

• Albédo, qui est une mesure de la quantité de lumière réfléchie par la Terre sans la réchauffer. Un albédo plus élevé signifie un climat plus frais, toutes choses étant égales par ailleurs. Les effets de rétroaction positive (le réchauffement diminue la couverture neigeuse à haut albédo aux hautes latitudes) et de rétroaction négative (le réchauffement peut augmenter l'évaporation et ainsi accroître la couverture nuageuse à haut albédo) sont présents ; il n'est pas évident lequel dominerait en pratique.
• Effet de serre, qui est causé par certains gaz dans l'atmosphère laissant passer la lumière du soleil mais bloquant la chaleur de la Terre de s'échapper dans l'espace. La Terre est actuellement d'environ 30 degrés plus chaude qu'elle ne le serait sans aucun effet de serre, en raison de la vapeur d'eau et du dioxyde de carbone dans l'atmosphère (la menace bien médiatisée du réchauffement climatique est due à notre rejet d'une grande quantité de dioxyde de carbone supplémentaire provenant de la combustion de combustibles fossiles, augmentant ainsi l'effet de serre). D'autres gaz à effet de serre qui ont pu être importants il y a quatre milliards d'années incluent le méthane et l'ammoniac. Les effets de rétroaction de l'effet de serre sont encore plus complexes que pour l'albédo, particulièrement avec la vie présente.

Il y a deux points principaux à aborder, afin d'évaluer dans quelle mesure il faut prendre au sérieux les arguments de Faulkner (1998) :

• À quel point le réglage fin devait-il être précis ? Nous savons que la vie a pu se former et survivre (puisqu'elle est encore là), mais avait-elle besoin de prospérer en permanence ? Quelles sont les extrémités climatiques que la Terre pourrait supporter sans être totalement stérilisée ?
• À quel point les mécanismes de rétroaction qui doivent être invoqués pour expliquer le registre climatique sont-ils plausibles ?

Si la vie a pu se former sous une épaisse couverture de glace, le registre fossile indique la présence d'une surface dépourvue de glace dans les quelques centaines de millions d'années suivant le début. Les stromatolites (fossiles précoces courants) sont des formations d'eaux peu profondes, et la photosynthèse semble également être un développement précoce (Cowen 1995). Il existe également des preuves isotopiques d'un climat chaud aux époques anciennes (Weisstein 1996). Nous avons donc besoin, malgré tout, d'un climat acceptable à une époque où le soleil était 20 % moins lumineux qu'aujourd'hui. Le moyen le plus raisonnable d'y parvenir consiste à invoquer un effet de serre plus important.

Il existe un corpus d'indices assez solide indiquant que l'atmosphère de la Terre primitive était très différente du mélange d'azote et d'oxygène que nous respirons aujourd'hui. L'oxygène est presque exclusivement le produit d'organismes photosynthétiques, qui n'étaient pas présents au début. Il existe également des indices provenant de minéraux anciens indiquant que l'atmosphère était exempte d'oxygène au moment de leur formation, et des indices provenant de minéraux plus tardifs (notamment les fameuses « formations à bandes de fer ») d'une transition vers une atmosphère riche en oxygène après peut-être deux milliards d'années (Cowen 1995 ; Kerr 1999).

À l'heure actuelle, d'énormes quantités de carbone ont été piégées par les organismes, tant dans la biomasse vivante que dans les sédiments carbonatés ; il est très probable que la majeure partie de ce carbone se trouvait autrefois sous forme de dioxyde de carbone (Sagan & Chyba 1997). Les réservoirs de carbone actuels, s'ils étaient totalement convertis en dioxyde de carbone, donneraient une atmosphère similaire à celle de Vénus, avec un effet de serre plus que suffisant pour compenser un soleil moins brillant. Il n'est pas clair exactement combien de carbone se trouvait réellement dans l'atmosphère (Kasting 1993 ; Sagan & Chyba 1997), mais même s'il ne représentait qu'une petite fraction de celui disponible, un effet de serre significatif en résulterait. Certaines mesures du dioxyde de carbone ancien ont été effectuées (Mora & Driese & Colarusso 1996), mais pas dans les périodes de temps pertinentes.

De plus, il existe d'autres gaz qui pourraient être de grands contributeurs à l'effet de serre sur la Terre primitive, notamment le méthane et l'ammoniac (Kerr 1999). Sagan & Chyba (1997) proposent un modèle dominé par l'ammoniac, dans lequel suffisamment de réchauffement par effet de serre est généré pour atteindre des températures supérieures à zéro malgré un soleil faible.

Le dioxyde de carbone, le méthane et l'ammoniac sont tous des gaz courants dans les atmosphères d'autres planètes, et constituent des composants raisonnables (presque inévitables) de l'atmosphère primitive de la Terre, compte tenu de nos théories actuelles sur la formation planétaire. Il est donc hautement plausible qu'un effet de serre substantiel ait au moins partiellement compensé le faible rayonnement du jeune Soleil.

Les conditions sur la très jeune Terre qui permettent l'apparition et l'évolution précoce de la vie semblent pouvoir être réalisées sans invoquer trop d'improbabilités. Cependant, lorsque le Soleil est devenu plus chaud, nous avons un problème ; si l'atmosphère à effet de serre est maintenue trop longtemps, alors que le Soleil s'intensifie, un effet de serre incontrôlable peut résulter d'un rétroaction positive, créant une situation similaire à Vénus et rendant la Terre inhabitable. Un rétroaction négatif compensatoire est nécessaire.

Il est possible que certains rétroactions géochimiques soient possibles, mais il semble peu probable qu'elles soient suffisantes (Lenton 1998). Les organismes vivants ont également commencé à convertir le dioxyde de carbone en oxygène et en matière organique, réduisant considérablement l'effet de serre dès que la photosynthèse a commencé. Cependant, il n'y a aucune raison évidente pour que ce processus reste exactement synchronisé avec l'augmentation de la luminosité du soleil. Il est possible que nous ayons simplement eu de la chance, mais cela ne constitue pas une explication entièrement satisfaisante. Si l'ajustement devait être très précis, Faulkner (1998) aurait raison de l'appeler « miraculeux ».

Il semble, cependant, que la Terre puisse tolérer des variations climatiques importantes, réduisant ainsi le besoin d'un ajustement fin de haute précision et miraculeux. Il existe des preuves de glaciations étendues à l'époque Précambrienne (Kaufman & Knoll & Narbonne 1997; Jenkins & Frakes 1998), alternant avec des périodes beaucoup plus chaudes. Au moins l'une des glaciations a probablement recouvert l'ensemble de la planète, entraînant une « Terre boule de neige » profondément gelée (Hoffman & Kaufman & Halverson 1998; Kerr 1998; Hoffman et al 1998). La vie peut survivre sous plusieurs kilomètres de glace pendant une période raisonnable, en utilisant par exemple l'énergie géochimique (Gaidos & Nealson & Kirschvink 1999), même si des extinctions massives d'espèces moins résilientes sont attendues. Le registre fossile Précambrien est si lacunaire qu'une (ou même plusieurs) extinction(s) de masse de l'ampleur attendue d'un tel gel profond a pu passer inaperçue, même si seulement quelques organismes ont survécu, puis se sont rediversifiés.

Si la vie pouvait survivre à un tel climat instable, l'argument d'improbabilité de Faulkner (1998) est sérieusement affaibli.

Une solution différente au problème du jeune soleil faible est proposée par les partisans de l'hypothèse Gaïa (Lenton 1998, et les références y afférentes). L'idée de base est que le climat est maintenu stable par des rétroactions biologiques actives ; soit par une forme de conscience planétaire gaïenne mystique, soit par des moyens plus naturalistes, comme l'argumente Lenton (1998; mais voir aussi Robertson & Robinson (1998)). Il serait instructif pour les créationnistes d'étudier les publications gaïennes, car ici nous avons une autre hypothèse non orthodoxe avec des aspirations scientifiques et des affiliations religieuses. Néanmoins, contrairement aux créationnistes, les Gaïens parviennent à être publiés dans des revues à comité de lecture hautement respectées (Lenton (1998) est dans Nature), qui ne toucheraient pas un papier comme celui de Faulkner avec une perche de dix pieds. La différence ne peut guère être expliquée par un biais anti-religieux, car il y a tout autant de religion dans l'hypothèse Gaïa, ni par un biais anti-chrétien spécifique – je suis prêt à parier qu'il y a plus de chrétiens que de Gaïens religieux parmi les éditeurs de Nature. Pour quiconque est réellement familier avec la façon dont fonctionne la science, une comparaison de Lenton (1998) et de Faulkner (1998) rend la réponse évidente : Lenton est un scientifique compétent, qui connaît les règles, et qui est capable de séparer sa science et sa religion. Il évite les erreurs élémentaires et évite de tomber dans une rhétorique stridente. Les créationnistes ne font aucune de ces choses, (même si le papier de Faulkner est bien au-dessus de la qualité moyenne parmi les écrits créationnistes). Si les créationnistes pouvaient écrire comme Lenton, ils, aussi, pourraient être publiés dans de vraies revues et gagner un peu de respect scientifique.

Soleil cristallin

Parmi les affirmations plus étranges concernant la nature du soleil, figure celle de Leontiev (1998). Selon lui, le soleil est un gigantesque cristal, sans sale fusion de type Tchernobyl ; l'énergie est au contraire fournie par une sorte de magie éternelle, propre et non nucléaire, non spécifiée.

La majeure partie du soleil, selon Leontiev, est constituée de matière cristalline, d'une nature distincte de la matière normale. Une fine couche de matière normale recouvre la surface, produisant les raies spectrales observées et trompant les spectroscopistes en les faisant croire que tout le soleil est composé d'atomes. Les taches solaires sont censées être des lacunes dans la couche de surface, où le cristal est directement visible ; il est malheureux pour la théorie de Leontiev que les raies spectrales provenant d'atomes normaux (y compris des phénomènes purement atomiques comme l'effet Zeeman) puissent également être observées à l'intérieur des taches solaires (Karttunen et al 1994).

Or, si le soleil était une énorme boule de cristal, il devrait tourner comme un corps solide. Ce n'est pas le cas. Les régions équatoriales du soleil tournent beaucoup plus rapidement qu'aux latitudes plus élevées (Pasachoff 1995). Les études héliosismologiques ont confirmé que la rotation différentielle s'étend beaucoup plus profondément que le bas des taches solaires (Thompson et al 1996). L'héliosismologie a également confirmé, au-delà de tout doute raisonnable, que l'intérieur du soleil est fluide jusqu'au fond ; un intérieur cristallin serait immédiatement évident dans leurs données. Ce n'est pas qu'il ait fallu le confirmer ; l'idée que le soleil est solide a été abandonnée peu après la découverte des taches solaires, ce qui a conduit à l'observation de la rotation différentielle.

En conclusion, le soleil cristallin est une idée dénuée de tout fondement, une notion absurde qui ne possède même pas la fausse apparence de crédibilité des productions créationnistes classiques.

Références

NOTE: Pour votre commodité, de nombreuses références pointent vers des sites web, parfois en plus de la référence formelle à une publication dans des revues à comité de lecture. Le dépôt de prépublications de Los Alamos ( http://xxx.lanl.gov ) est largement utilisé, car une grande fraction de tous les articles pertinents en physique et en astronomie y apparaissent, avant d'être formellement publiés. C'est un excellent site pour quiconque souhaite se tenir au courant des nouveaux développements dans le domaine.

Moins commode peut-être sont les références fréquentes aux articles de recherche réels, qui peuvent être une lecture non triviale pour le profane. En particulier, les articles théoriques avec de nouvelles hypothèses d'oscillation de neutrinos sont souvent plutôt opaques pour quiconque n'est pas physicien théoricien.

Pour les citations issues de documents disponibles sur Internet (notamment les publications de l'ICR), je fournis les numéros de page des impressions Netscape.

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