Le soleil est une boule d'hydrogène si grosse que la pression gravitationnelle au centre retire les électrons des atomes d'hydrogène et pousse les protons si étroitement ensemble qu'ils se collent les uns aux autres. Le "collage" crée finalement de l'hélium et libère également de l'énergie sous forme de photons gamma. Ces photons se frayent un chemin à travers les particules du soleil, perdent de l'énergie en cours de route et finissent par sortir du soleil sous forme de rayons X, de lumière infrarouge et visible. Le chemin du centre à l'émergence du soleil prend de nombreuses étapes et de nombreuses années.
Rayons gamma
La création d'hélium à partir d'hydrogène au cœur du soleil est un processus en trois étapes qui libère directement un rayon gamma et indirectement un autre. Les rayons gamma sont des rayonnements électromagnétiques, tout comme les micro-ondes, la radio et les ondes lumineuses, ce qui signifie qu'ils se déplacent à la vitesse de la lumière: 300 000 kilomètres par seconde (186 000 miles par seconde). Le soleil a un rayon d'environ 700 000 kilomètres (435 000 milles). Vous pouvez donc raisonnablement vous attendre à ce qu'un rayon gamma sorte du soleil environ 2,3 secondes après sa création. Mais cela n'arrive pas.
Collisions
Au cœur du soleil, les protons et les noyaux d'hélium sont si épais qu'un rayon gamma émis ne peut pas aller très loin avant d'être absorbé. Si vous imaginez qu'un rayon gamma est émis juste au centre du soleil, il commencera à se diriger directement vers la surface. Lorsqu'il percute un proton, le résultat de la collision est un proton avec une énergie supplémentaire. Le proton abandonne cette énergie supplémentaire en émettant un autre photon gamma. Mais celui-ci pouvait se diriger dans n'importe quelle direction, même là où il a commencé. Et ainsi de suite, le rayon gamma se dirigeant d'une collision à l'autre, changeant de direction à chaque fois qu'il est absorbé et réémis.
La marche aléatoire
Imaginez qu'il y ait un gars tellement ivre qu'il doit s'accrocher à un poteau lumineux pour se lever. Il veut se rendre au prochain lampadaire, à seulement 10 pas, mais il est tellement ivre qu'il ne peut pas marcher en ligne droite. Zut, il est tellement ivre qu'après avoir fait un pas, son prochain pas pourrait être dans n'importe quelle autre direction. C'est ce que les physiciens et les mathématiciens appellent un problème de « marche d'ivrogne » ou de « marche aléatoire ». La question est, combien de temps faudra-t-il à ce type pour passer d'un lampadaire à l'autre? La réponse est que si son point de départ et son point d'arrivée sont séparés par 10 étapes, il lui faudra - en moyenne - 100 pas pour y arriver - c'est 10 au carré. C'est la même situation à laquelle un rayon gamma est confronté au cœur du soleil.
Hypothèses
Lorsque vous essayez de résoudre un problème de marche aléatoire, la chose la plus importante que vous devez savoir est la taille des marches. Il y a deux problèmes à comprendre pour un photon de rayon gamma dans le soleil. Premièrement, les conditions ne sont pas les mêmes partout dans le soleil, de sorte que la distance entre les rayons gamma « s'écrase » avec d'autres particules change. Deuxièmement, personne n'a jamais visité le centre du soleil, donc certaines hypothèses doivent être faites, de toute façon. Il existe toutes sortes d'hypothèses raisonnables, variant d'un dixième de millimètre à environ un centimètre. Le choix de cette distance a un grand impact sur le calcul du temps.
Le temps qu'il faut
Le rayon du soleil est de 700 000 kilomètres, soit 7 000 milliards de "pas" si chaque pas mesure un dixième de millimètre, et 70 milliards de pas si chaque pas mesure 1 centimètre. D'après le problème de la marche de l'ivrogne, vous savez que le nombre moyen de pas qu'il faut pour parcourir une certaine distance est égal au carré du nombre de pas qu'il faudrait pour aller en ligne droite. Il faudrait donc 49 000 milliards de milliards de pas de 0,1 millimètre et 490 milliards de milliards de pas de 1 centimètre chacun. Le temps qu'il faut pour parcourir ces étapes est la distance totale divisée par la vitesse de la lumière. Donc, si vous pensez que les photons ne parcourent que 0,1 millimètre entre les collisions, il faudra plus d'un demi-million d'années pour que le photon s'échappe du soleil. Si vous pensez que c'est environ un centimètre, alors il faudra environ 5 000 ans pour que le photon sorte du soleil.