Sonoluminescence

La sonoluminescence est le phénomène par lequel des photons sont émis par des bulles de gaz dont on fait varier le diamètre grâce à des ultrasons.

Historique

L'effet fut découvert à l'université de Cologne en 1934 par H. Frenzel et H. Schultes, lors d'une expérience portant sur le sonar. Les premières expériences sur le sujet remontent à 1917, quand la Royal Navy britannique demande au physicien Lord Rayleigh de comprendre pourquoi les hélices des navires subissent des dommages inexpliqués.

Dans les années 1980, Filipe Gaitan et Lawrence Crum arrivent à produire une bulle sonoluminescente unique.

En 2005, l'expérience de D. Flannigan, mettant en jeu une bulle d'argon immergée dans de l'acide sulfurique a permis de mesurer la température atteinte au cœur de la bulle.

Explications

L'explication théorique de ce phénomène reste aujourd'hui sujet d'étude. Les calculs réalisés depuis la découverte du phénomène semblent indiquer que malgré les conditions de température et de pression passablement inhabituelles au cœur de la bulle lors de son effondrement (la petite onde de choc échauffe fortement le gaz contenu dans la bulle), la production de lumière ne devrait pas intervenir.

De gauche à droite : apparition de la bulle, expansion lente de son enveloppe, contraction rapide et émission de lumière

On ne sait pas dire aujourd'hui si cet écart entre théorie et observation tient aux imprécisions des modèles connus quand on les porte à des conditions extrêmes comme celles de la sonoluminescence ou si un phénomène qui n'a pas été envisagé jusque là est à l'œuvre.

En 2002, un physicien envisageait une réaction de fusion nucléaire (voir fusion froide), déclenchée par l'onde choc, mais ces résultats n'ayant pas pu être reproduits, ils restent très critiqués par la communauté scientifique.

L'expérience de D. Flannigan a permis de démontrer que la température au cœur de la bulle atteint 20 000 kelvins, soit l'équivalent de la température à la surface d'une étoile. La bulle d'argon est, par ailleurs, trois mille fois plus luminescente qu'une bulle produite dans de l'eau^[1]. On a également découvert de l'oxygène ionisé en surface de la bulle. L'hypothèse de la présence d'un plasma au cœur de la bulle expliquerait cette ionisation.

D'après les expériences des chercheurs américain Rusi Taleyarkhan (université de Purdue, Indiana) et Richard Lahey (Institut polytechnique Rensselaer de Troy, État de New York), il semble que la température au centre des bulles puisse atteindre 10 millions de degrés. Ils auraient enregistré l'émission de neutrons à 2.5 MeV et décelé la présence de tritium après la réaction.

Propriétés

La sonoluminescence peut arriver ou non quand une onde sonore d'intensité suffisante fait se contracter rapidement une cavité gazeuse présente dans un liquide. Cette cavité peut prendre la forme d'une bulle ; elle peut être générée au cours d'un processus nommé cavitation. La sonoluminescence en laboratoire peut être rendue stable: une unique bulle s'étend puis se contracte continuellement de manière périodique, en émettant un éclair lumineux à chaque contraction. Pour cela, une onde sonore est émise dans un liquide, et la pression de la bulle dépendra de cette onde. Les fréquences de résonance dépendent de la taille et de la forme du récipient dans lequel la bulle est contenue.

Quelques informations sur la sonoluminescence :

• Les flash lumineux émis par les bulles sont extrêmement courts, entre 35 et quelques centaines de picosecondes, avec des pics d'intensités de l'ordre de 1 mW à 10 mW.
• Les bulles sont très petites quand elles émettent la lumière, autour du micromètre de diamètre. Ceci dépend du fluide ambiant (par exemple, de l'eau) et du gaz contenu dans la bulle (par exemple, de l'air).
• La sonoluminescence à bulle unique peut avoir des périodes et des diamètres très stables. Cependant, l'analyse de la stabilité d'une bulle montre que la bulle est elle-même soumise à d'importantes instabilités géométriques, à cause des forces de Bjerknes et des instabilités de Rayleigh-Plesser.
• En ajoutant une petite quantité d'un gaz noble (comme l'hélium, l'argon, ou le xénon) au gaz de la bulle, on peut augmenter l'intensité de la lumière émise.

La longueur d'onde de la lumière émise est très courte, son spectre peut atteindre l'ultraviolet. Plus la longueur d'onde de la lumière est faible, plus son énergie est élevée. La mesure du spectre de la lumière laisse présumer une température dans la bulle d'au moins 20 000 kelvin et jusqu'à une température dépassant le mégakelvin. La véracité de ces estimations est remise en question par le fait que l'eau, par exemple, absorbe à peu près toutes les ondes en dessous de 200nm. Ceci a mené à diverses estimations de la température de la bulle, car elle peut être extrapolée depuis le spectre d'émission obtenu durant la contraction, ou estimée en utilisant l'équation de Rayleigh-Plesset (voir après). Certaines estimations portent l'intérieur de la bulle à un gigakelvin. Ces estimations sont basées sur des modèles qui ne peuvent pas être vérifiés aujourd'hui.

Mécanique

Le mouvement de la bulle est décrit, en première approximation, par l'équation de Rayleigh-Plesset :

Cette approximation découle des équations de Navier-Stokes et décrit le comportement d'une bulle d'un rayon R en fonction du temps t. Le facteur η est la viscosité, p la pression et γ la tension de surface.

Notes et références

Liens externes

• Document de TP de l'ENS Cachan sur l'étude du phénomène de sonoluminescence
• Articles en anglais sur l'historique et la théorie de la sonoluminescence.
• Article (payant) en anglais, de la revue Nature, sur l'expérience de Flannigan.

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