Luminosité - Définition et Explications

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Introduction

Bien que beaucoup plus petit que le Soleil (quelques dizaines de kilomètres contre plus d'un million de kilomètres de diamètre), le pulsar du Crabe est des centaines de milliers de fois plus lumineux que le Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile...), éclairant de l'intérieur la nébuleuse (Une nébuleuse (du latin nebula, « nuage ») désigne, en astronomie, un...) du Crabe (Crabe est un nom vernaculaire ambigu utilisé en français pour désigner de nombreuses...), qui mesure pourtant plus d'une dizaine d'années-lumière.

La luminosité désigne la caractéristique de ce qui émet ou réfléchit la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...).

Plusieurs définitions et systèmes d'unités

En astronomie (L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer...), elle représente la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) totale d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) rayonnée (dans le domaine électromagnétique) par unité de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) par un astre. Elle représente donc la brillance réelle de l'astre, et non son éclat apparent qui lui dépend de la distance. Elle a les dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce...) d'une puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) et s'exprime dans le système international d'unités en watts. Cependant, la tradition veut que souvent en astronomie on l'exprime dans le système cgs (Le système CGS est un système d'unités de mesures physiques où les unités de base sont), c'est-à-dire en erg par seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui...), la conversion se faisant selon la formule :

1\;{\rm erg}/{\rm s} = 10^{-7}\;{\rm W}.

L'expression de la luminosité en unités SI ou cgs n'est cependant pas systématique (En sciences de la vie et en histoire naturelle, la systématique est la science qui a pour...). Elle l'est à peu près dans les domaines radio et X mais dans le domaine visible et l'infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde...) elle est également souvent donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire,...) en termes de magnitude absolue (En astronomie, la magnitude absolue d'un objet céleste est la magnitude de cet objet s'il était...), qui est une expression de l'opposé ( En mathématique, l'opposé d’un nombre est le nombre tel que, lorsqu’il est à...) du logarithme (En mathématiques, une fonction logarithme est une fonction définie sur à valeurs dans ,...) du rapport entre la luminosité de l'astre et la luminosité d'un astre de référence. Cette convention curieuse (un astre a une luminosité d'autant plus grande que sa magnitude est faible) résulte de raisons historique, et de la tentative d'effectuer une formulation (La formulation est une activité industrielle consistant à fabriquer des produits...) moderne de la classification faite par les astronomes de la Grèce antique des astres en termes de « grandeur », les astres les plus brillants étant dits de première grandeur et les moins brillants de cinquième grandeur.

Une autre expression de la luminosité se fait en unités de la luminosité solaire (En astrophysique, la luminosité solaire est l'unité de luminosité conventionnellement utilisée...), de façon à éviter de manier des grands nombres (la luminosité typique d'une étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une...) étant de l'ordre de celle du Soleil, soit 4×1026 W). On note alors

L = A L_{\odot},

A étant une constante numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information...) et L_{\odot} le symbole de la luminosité solaire.

Classifications stellaires

Dans le domaine de la physique stellaire (La physique stellaire est la branche de l'astrophysique qui étudie les étoiles. Elle fait...), il est souvent intéressant de positionner un astre dans un diagramme (Un diagramme est une représentation visuelle simplifiée et structurée des concepts, des idées,...) donnant sa luminosité en fonction de sa température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...). La position d'une étoile sur un tel graphe (Le mot graphe possède plusieurs significations. Il est notamment employé :), appelé diagramme de Hertzsprung-Russell (En astronomie, le diagramme de Hertzsprung-Russell montre la relation entre la magnitude absolue et...) permet de déterminer le type d'étoile observée ainsi que son stade (Un stade (du grec ancien στ?διον stadion, du verbe...) d'évolution. Par exemple, c'est historiquement par le biais de ce diagramme que les naines blanches ont pu être classifiées comme une classe très particulière d'astres, bien moins lumineux que des astres ordinaires de même température. On distingue ainsi sur ce graphe les étoiles dites de la séquence principale (La séquence principale est une bande continue et bien distincte d'étoiles qui...) (dont l'énergie est issue de la fusion nucléaire (La fusion nucléaire (dite parfois thermonucléaire) est, avec la fission, l’un des...) d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) en hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il...) et celles de la branche de géantes rouges, qui sont à un stade plus avancé où le cœur produit du carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C,...) voire d'autres éléments plus lourds à partir d'hélium.

Luminosité d'une étoile

Il existe une relation entre température de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) (T), rayon (R) et luminosité (L) d'un astre, qui s'écrit

L = 4πR2σT4,

σ étant la constante de Stefan-Boltzmann (La constante de Stefan-Boltzmann (du nom des physiciens Jo?ef Stefan et Ludwig Boltzmann), notée ...). La luminosité d'un astre est connue quand son éclat vu depuis la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...) l'est (magnitude apparente) ainsi que sa distance. La température est en principe mesurable par spectroscopie. Cette relation permet ainsi de déterminer le rayon d'un astre. Historiquement, cette relation a par exemple permis de déterminer le rayon d'astres très compacts (et donc très peu lumineux pour leur température) comme les naines blanches. Cette méthode est également utilisable dans le domaine des rayons X pour déterminer le rayon d'astres bien plus chauds et bien plus compacts comme les étoiles à neutrons, permettant ainsi de contraindre leur structure en établissant des contraintes sur la relation entre leur masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) et leur rayon qui par suite donne des indications sur l'équation (En mathématiques, une équation est une égalité qui lie différentes quantités, généralement...) d'état de ces objets.

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