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Superradiance
Compétition des modes
La superradiance est une émission de rayons lumineux ayant une radiance (= luminance) absolue très supérieure au minimum moyen hν3 / c2 donné par Planck ( M. Planck , Eine neue Strahlungshypothese, Verh. Deutsch. Phys. Ges. 13, 138--75 (1911)).
La loi de Planck donne la radiance absolue des rayons lumineux se propageant dans un corps noir:
![I_\nu=\frac{h\nu^3}{c^2}[1+\frac{2}{\exp(h\nu/kT_P)-1}]](6/9d68a9d272673aa046e2acfc6d7b71ac.png)
.Cette radiance est conservée pour un rayon sortant du corps noir dans un milieu transparent, définissant la température de Planck TP d'un rayon à partir de sa radiance absolue et de sa fréquence. Un milieu possédant deux niveaux dont l'énergie diffère de hν, amplifie un rayon lumineux de fréquence ν si la température de Boltzmann TB du milieu à cette fréquence est négative ou supérieure à TP. Dans ce cas, le "coefficient d'Einstein" B est positif { A. Einstein, Zur Quantentheorie der Strahlung, Phys. Z. 18,:121--8 (1917).
Cette amplification est proportionnelle à B, à la radiance absolue initiale et au chemin infinitésimal dx parcouru dans le milieu. Si la radiance finale est voisine de la radiance minimale hν3 / c2 calculée par Planck, elle est dite d' "émission spontanée". À l'opposé, si la radiance finale est très supérieure à hν3 / c2, il y a superradiance.
En conséquence, localement, un rayon ayant initialement une radiance élevée absorbe beaucoup plus d'énergie qu'un rayon faible. L'absorption d'énergie abaissant généralement la température de Boltzmann, l'amplification des rayons faibles devient négligeable: c'est la "compétition des modes optiques".
Dans un laser, un résonateur produit une superradiance intense, seuls subsistent des modes optiques appartenant à un système de modes orthogonaux entre eux.
En astrophysique, l'existence de nuages d'hydrogène à basse pression et partiellement ionisés au voisinage d'astres très chauds conduit à une température de Boltzmann très élevée des atomes, en particulier à la fréquence Lyman alpha. Il apparait donc des superradiances intenses.
Une étoile très chaude ionise complètement en protons et électrons une "sphère de Strömgren" entourée d'une coquille fortement amplificatrice de la radiance des rayons tangents à la sphère de Strömgren. Les systèmes étant imparfaits, on observe des arcs lumineux, des "colliers de perles" comme IPHASXJ194359.5+170901 ou la croix d'Einstein. Les trois colliers de perles de la supernova 1987A correspondent aux limbes d'une sphère de Strömgren étranglée en forme de sablier.
Notes et références
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