Le soleil est-il vraiment déjà couché lorsqu'on le voit à l'horizon?



Contrairement à l'idée répandue selon laquelle la lumière créée par le soleil atteint notre planète en 8 minute 20, elle mettrait plutôt de 10 000 à 170 000 ans! En plus, lorsque l'on voit le soleil se coucher, il n'est pas, contrairement aussi à ce que l'on pense, déjà couché!

Aurait-t-il déjà disparu?
Certaines erreurs grossières sont à l'origine des méprises : entre le moment ou les photons lumineux sont créés et le moment où ils s'échappent du soleil pour parcourir l'espace, peuvent se dérouler plusieurs dizaines de milliers d'années. De plus, c'est bel et bien l'effet de la Terre qui tourne sur elle même et non la vitesse avec laquelle la lumière se déplace qui créé l'impression que le soleil est déjà couché depuis 8 minutes lorsqu'on le voit encore sur les bords de l'horizon.

Tordons le cou aux idées poétiques mais néanmoins préconçues!

1. La lumière créée par le soleil met 8 minutes 20 secondes à nous parvenir : pas exactement correct...

Le photon, la particule lumineuse qui nous atteint, se déplace à une vitesse de 300 000 km/s. La distance séparant notre astre solaire de la Terre est approximativement de 149,6 millions de kilomètres, aussi, il faudrait effectivement en gros 8 minutes et 20 secondes pour que la lumière s'échappant de la surface* solaire atteigne notre planète. Nous voyons donc le soleil en décalé : son image reflète la position qu'il tenait dans notre ciel 8 min 20 sec auparavant. Mais attention, ce n'est pas notre soleil qui se déplace, mais notre ciel (l'image que l'on aperçoit de la voûte céleste)! Aussi lorsqu'on voit le soleil se coucher, la lumière que l'on perçoit est celle qu'il a émise un peu avant de "se coucher". En fait, sur Terre et dans notre ciel, on "rattrape" la position du soleil en 8 minutes 20.

*Rappelons toutefois qu'il n'existe pas vraiment de "surface" solaire : le soleil se présente sous la forme d'une boule de plasma, dont les limites théoriques sont généralement considérées comme l'endroit ou le gaz est suffisamment dense pour être visible (photosphère).

Composition solaire. Img Nasa/Berkeley
Toujours est-il que cette lumière reçue n'a pas été créée une dizaine de minutes auparavant, loin de là! Au centre du soleil, dans son noyau, là où ont cours les réactions de fusion d'hydrogène, des photons lumineux sont crées par "l'assemblage" de quatre noyaux d'atomes d'hydrogène en un atome d'hélium, processus qui libère de l'énergie notamment sous la forme des photons lumineux. Le coeur du soleil étant toutefois très dense, un photon libéré lors d'une réaction de ce type, peut parcourir quelques micromètres avant d'entrer en collision avec un atome, et d'être absorbé. La collision/absorption représente un gain d'énergie qui produira par la suite en un temps relativement court, l'émission d'un photon lumineux, lequel partira dans une direction généralement très différente. 

Un peu comme une représentant ambulant partirait de son travail, s'arrêterait quelques temps dans une maison prise au hasard, repartirait vers une autre, s'arrêterait de nouveau (ou repartirait directement s'il n y a personne à cette maison), puis repartirait vers une autre, et ainsi de suite... Les mathématiques permettant d'estimer la durée de ce voyage ponctué de millions de collisions/absorptions, portent d'ailleurs le nom de phénomène de Marche Aléatoire. Pour réaliser l'estimation, il faut connaitre certains paramètres comme la densité du milieu traversé (plusieurs couches solaires de densité différentes), sachant que le photon se déplace toujours à 300 000 km/s. 

Dans une marche aléatoire en trois dimensions, la distance parcourue équivaut approximativement à la racine carrée de la distance cumulée parcourue lors des étapes. Par exemple, si un photon parcourait 1 mètre à chaque étape, alors en marche aléatoire, il se trouverait environ à 10 mètres de son point d'origine, 100 étapes plus tard, puis à 100 mètres de son point d'origine, 10 000 étapes plus tard (avec de fréquents retour-arrière, notamment). Dans la majorité des cas, les photons vont rester plusieurs dizaines de milliers d'années à l'intérieur du soleil, avant d'être éjectés par hasard hors de celui-ci.

On peut estimer qu'un photon restera entre 10 000 et 170 000 ans à l'intérieur du soleil avant de s'en échapper[1]. 8 minutes de plus ou de moins, sont négligeables : si l'on peut affirmer (en terme de probabilité significative) quoi que ce soit à propos de l'ancienneté de la lumière solaire que l'on reçoit, c'est que celle-ci a entre 10 000 et 170 000 ans!

2. Le soleil est déjà couché depuis 8 minutes lorsqu'on le voit en train de se coucher à l'horizon : faux, faux, faux!

Ce sont là encore des idées véhiculées, poétiques ou amusantes, mais bien mal avisées! Lorsque l'on voit le soleil se coucher à l'horizon, dit-on, il est en fait déjà couché en dessous de celui-ci...

Pourtant, il faut bien se souvenir d'une chose : sans contraintes externes, la lumière se déplace en ligne droite : autrement dit, lorsque l'on aperçoit le soleil, c'est en théorie une lumière qui nous arrive en ligne droite : l'endroit où l'on voit le soleil est exactement dans le prolongement de celui-ci, hors condition particulières.

Et ces conditions particulières, ce ne sont ni la distance qui nous sépare du soleil, ni le temps que met la lumière du soleil à nous parvenir : ce sont tout simplement l'existence d'atmosphère sur la terre, ainsi que la "force de gravité"* que la Terre exerce sur les photons.

* précisément, la courbure de l'espace-temps

Représentation du terminateur terrestre
Le cercle (fictif) de séparation entre face sombre et face éclairée d'une planète ou d'un astre d'apparence sphérique est nommé terminateur. En pratique, ce terminateur n'est pas réellement distinct : la diffusion de la lumière par l'atmosphère, rend compte des phénomènes de crépuscule et d'aube, respectivement suivant le coucher du soleil, et précédent son lever. Le soleil lui même, lors de son coucher ou de son lever, subit de plusieurs façons les effets de l'atmosphère (rougissement, tâche verte, etc...). Pour cette raison, il est difficile d'avoir des estimations précises de la façon dont on verra le soleil se coucher. Dans le cas d'une journée sans nuage ni effets atmosphériques particuliers, la lumière émise par le soleil arrive sur le terminateur en suivant une trajectoire légèrement courbée* : les photons lumineux sont déviés en suivant les lignes gravitationnelles générée par la masse terrestre : autrement dit, on voit le soleil se coucher après qu'il soit effectivement hors de l'axe horizon/soleil, mais on le voit de la même façon se lever avant qu'il n'aie atteint l'axe horizon/soleil à l'aube!
*elle est également déviée légèrement vers le sol par phénomène de réfraction, dû au passage du vide dans le milieu plus dense atmosphérique.

Le gain de temps a cependant un ordre de grandeur très faible, mais l'on peut déduire que la face éclairée par le soleil est toujours légèrement plus importante que la face sombre, à cause de ce phénomène de déviation gravitationnelle. Rien à voir donc, avec le fait que la lumière s'échappant du soleil mette 8 minutes et 20 secondes à nous atteindre! Lorsque le soleil se couche, la lumière arrivant approximativement en ligne droite, le soleil se trouve bel et bien dans la direction exacte (hors l'approximation précédemment citée) de ces rayons lumineux : tout simplement en face!

[1] Odenwald, S. F. 2004 - "How old is sunlight?" A classroom activity on the random walk problem



11 commentaires:

FoxMaster a dit…

J'ai des bases en science et j'ai relu 2x, or je ne comprend toujours pas, en résumé les rayons seraient déformé à cause de l'athmosphère, et donc si le solei lse couche 8 minutes 20 en retard par rapport à son image il apparait aussi 8min 20 en avance, ce qui fait au final 0 retard... Tout cela semble un peu tirer par les cheveux...

Il est dit dans des milliers de livres de science qu'on ne peut pas aller plus vite que la lumière, bref on peut inventer tout ce qu'on veut, il faudra 8min20 sec pour que la lumière nous arrive. Si le soleil disparaissait en une fraction de seconde on ne s'en rendrait compte que dans 8 minutes 20 sec, la terre tournerait autour d'un point inexistant pendant ce laps de temps, je vois mal la gravitation se dissiper plus vite que la vitesse maximal de propagation de 300 000km/s prouvée et établie depuis des décenies...

Le coucher du soleil défini le moment où le disque solaire n'est plus visible à l'horizon au niveau de la mer, on s'en fout de la lueur de l'atmosphère. Oui la terre bouge dans l'espace pendant ce laps de temps mais quand même, de là a dire que ça influence quoi que ce soit, 8 minutes c'est une fraction de degré, le soleil n'est pas un spot qui vise la terre mais une lampe qui éclaire dans toute les direction, et peu importe le rayon perçu à l'instant T il lui faudra 8min20 à arriver, quoi qu'il arrive, sinon les lois sont fausses.

jhytrc a dit…

+1 on tourne autour du pot et on joue sur les mots , certes le photon qui s’échappe de la réaction solaire met plus de temps a arrivé du a sa trajectoire aléatoire mais comme le dis foxmaster la lumière est émise en continue.le couché de soleil est en gros un reflet atmosphérique,on ne vois plus directement l'astre mais que s'est rayons émis en ligne droite.fin bref sa nous fait une belle jambe tiens :)

Stephane Joooklabs a dit…

Certes, Foxmaster, les rayons mettent effectivement 8min20 à nous parvenir, ça, c'est entendu. Toutefois, lorsqu'ils nous parviennent, le soleil, lui, n'a pas bougé de place : donc, lorsqu'on le voit à l'horizon, il est, du point de vue de la Terre, à l'horizon et pas ailleurs (pas en dessous!). Or, la croyance commune veut que le soleil soit déjà en dessous de l'horizon lorsqu'on le voit se coucher, c'est là qu'est l'erreur : on croit que le soleil se déplace dans notre ciel, mais c'est nous qui nous déplaçons! En fait, l'erreur se situe, dans le raisonnement au niveau du "donc", entre les phrases "les rayons mettent 8min20 à nous parvenir donc le soleil est déjà couché quand on le voit". Le lien, supposé logique, de conséquence, n'a pas lieu d'être : En quoi la vitesse des rayons et la distance Terre-Soleil amèneraient-elles à changer la position du soleil dans notre ciel, sachant que le seul déplacement de l'un par rapport à l'autre est la rotation de la Terre autour du Soleil(en un an). Le truc, c'est que l'horizon est un phénomène terrien uniquement (du moins, lorsqu'on parle d'horizon, on parle de celui de la Terre) qui ne concerne pas le reste de l'espace (et notamment le système solaire, et le soleil lui-même).

Ce n'est peut être pas très clair ^^ Mais posons nous la question : si on tourne autour d'une lampe immobile suffisamment loin, lorsque l'on voit la lumière de cette lampe, est-elle à l'endroit où on la voit ou s'est-elle déplacée (alors qu'elle est immobile...)?

manred a dit…
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Cedric Berman a dit…
Ce commentaire a été supprimé par l'auteur.
Cedric Berman a dit…

On voit le soleil se lever et se coucher chaque jour parce que la terre tourne sur son axe, au rythme d'un tour par jour. On voit le soleil a différente latitudes en fonction des saisons, qui sont dues au fait que la terre tourne autour du soleil en une année. Et ce que l'on voit du soleil est dus aux photons déjà émis, et qui de ce fait voyagent déjà en ligne droite. Ce que l'on voit sur terre est donc bien ce qui était visible 8 minutes et 20 secondes plus tôt à un observateur situé devant la limite de surface du soleil. Autrement dit, lorsque le soleil fini de passer sous l'horizon pour un observateur terrestre, cela fait 8 minutes et 20 secondes que le soleil a déjà fini de passer sous l'horizon, à cause de la rotation continue de la terre. La position visible du soleil vu de la terre est donc bien celle qu'il occupait 8'20'' avant dans le ciel. Autrement dit, si on bloquait d'un coup la rotation de la terre sur son axe, on verrait tout de même l'image du soleil se déplacer dans le ciel pendant encore 8'20'' de plus, avant de voir cette image soudain s'immobiliser, cela alors même que le soleil et la terre sont déjà immobiles l'un par apport à l'autre, durant ces 8'20''. On pourrait alors estimer la distance d'avec chaque étoile visible simplement en regardant combien de temps leur image a mis avant de devenir immobile, suite à l'arrêt de la rotation de la terre. De la même façon, à cause du facteur déterminant de la distance entre la source et le récepteur, si toutes les étoiles visibles depuis la terre s’éteignaient au même instant, les étoiles les plus éloignées seraient celles que l'on voit s'éteindre en dernier. Tout cela ne semble pas naturel de prime abord. Mais si on y réfléchit, on voit que c'est logique.

Xavier LONGETTI a dit…

Je viens de lire ce que Cedric Berman a dit et enfin quelqu'un qui dit quelque chose de logique et explicite, merci et bravo.

Stephane Joooklabs a dit…

Vous avez pourtant la réponse sous forme contradictoire dans votre exposé. Admettons que la Terre cesse de tourner à un moment t : notre ciel continuerait-il de tourner, lui? Les étoiles continueraient-elles de tourner pendant un temps correspondant à leur distance? Pas du tout! Le soleil, même s'il est plus près que les autres étoiles, en est une. Dans notre ciel, il s'arrêterait illico de bouger, de notre point de vue. Il ne continuerait pas à tourner pendant 8 min 20 avant de s'arrêter. pourquoi continuerait-il, et pas les autres étoiles?

Killian Fleury a dit…

Non en effet, le soleil ne bougerait plus, pas plus que les autres étoiles, mais la lumière qu'ils ont émis au moment de s'arrêter, elle, met 8 minutes 20 secondes à nous parvenir. Nous voyons donc le soleil s'arrêter 8 minutes 20 secondes après son arrêt réel dans l'espace.

GisGuru a dit…

Bonsoir, cette page est intéressante, merci aux contributeurs. Le problème est difficile. Pour préciser un peu les choses si on fait le calcul, 8 mn de rotation cela fait seulement 3° et des poussières, c'est très peu, mais quand même six fois le diamètre apparent du soleil. Ensuite si on arrêtait la rotation de la terre, il faudrait choisir si on l'arrête par rapport aux étoiles, ou par rapport ... au soleil. En effet le soleil bouge de 1° par jour par rapport aux étoiles. Donc si on stoppait la rotation de notre planète par rapport aux étoiles (choisir des étoiles qui ne bougent pas trop), à cause de sa révolution autour du soleil, celui-ci continuerait de toutes façons à suivre sont chemin dans le Zodiaque et la journée durerait un an (sans préjudice de ce qui se passerait les 8 premières minutes)... par contre si on stoppait notre planète par rapport au soleil, ce sont les étoiles qui commenceraient à reculer au même rythme. Mais la vraie question est : est-ce que le soleil continuerait à "tourner" à la vitesse de 15° par heure pendant 8 mn et quelques ? Voici ce que j'observe :
1 il est très maladroit de parler dans cet article de la durée que prennent les photons pour "sortir du soleil", c'est hors sujet, noyage de poisson. Un point en moins pour l'auteur
2 l'affirmation que la lumière se propage en ligne droite est vraie, mais il faut savoir en ligne droite "entre quoi et quoi" ! La lumière ne peut se propager en ligne droite entre notre oeil et l'endroit où le soleil est maintenant. Le calcul de la durée du parcours de 8 mn implique que la ligne droite se trouve entre notre œil et la position du soleil il y a 8 mn. D'où la question, qui n'est pas ridicule.
2 la proposition de Cedric n'est pas tenable : en effet en supposant qu'on stoppe la rotation, si les objets célestes continuaient à tourner pendant une durée équivalente à leur distance lumière on verrait bien le soleil tourner pendant 8 mn mais les étoiles devraient continuer à tourner autour de nous pendant des années (minimum) et même pendant des milliards d'années pour les galaxies etc. On voit par ce paradoxe qu'il y a une erreur dans le raisonnement. Donc un point pour l'auteur.

Conclusion : le problème est plus difficile qu'il n'y parait. Quelqu'un a-t-il des bonnes sources, non poétiques, véhiculées ou amusantes ??? Il est vrai que la totalité, apparemment, des articles qui parlent de la position du soleil ne se posent pas la question de sa POSITION dans l'espace, par 'position' ils entendent : position dans le ciel (par rapport au repère terrestre donc). Les cosmologues qui travaillent sur des objets beaucoup plus éloignés parfois que le soleil, comme certaines planètes ou les comètes font-ils des corrections entre la position vue et la position réelle ?

GisGuru a dit…

Après un quart d'heure de réflexion, voici mon analyse :
1 la rotation terrestre ne provoque pas de mouvement du soleil sur le ciel, donc si on arrêtait la terre de tourner, le soleil s'arrêterait en même temps que le ciel, il ne continuerait pas à tourner pendant 8 mn.
2 quel serait alors le changement ? Je propose pour étudier cela que le soleil soit pourvu sur sa surface d'une horloge synchronisée (pardon Albert) avec le temps GMT qu'on pourrait lire de la terre. Alors en temps normal à Greenwich à midi, avec la terre en rotation, on pourrait lire sur le soleil au sud et au sommet de sa course 11h52 et on n'y lirait midi qu'à 12h08 terrestres, le soleil étant alors descendu de 3° vers l'ouest. Donc on verrait bien le soleil à sa vraie position dans le ciel mais pas à la bonne heure affichée. Si la terre s'arrêtait de tourner, on le verrait toujours à sa vraie position, et toujours à son heure fausse, aucun changement finalement. L'arrêt de la rotation de la terre ne peut supprimer le décalage d'observation de 8mn, qui n'est pas un décalage de visée, seulement un décalage de fraîcheur de la lumière.
3 une rotation ne peut fausser la visée d'un astre lointain, seuls les déplacements (révolutions ou autres) le peuvent : aberration, parallaxe, retard de position. (on suppose que le déplacement de quelques milliers de km dû à la rotation est négligeable).
4 le soleil qui se couche se couche vraiment, moi aussi je fais pareil.
5 à cause de la révolution terrestre, la position du soleil est certainement vue fausse : l'aberration de la lumière le fait paraître trop à l'ouest et cette erreur très faible est accentuée encore par le retard de la lumière qui le fait paraître trop à l'ouest également je crois. Ces deux angles sont très petits et n'ont pas de portée sur notre problème d'aujourd'hui.

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