Image : Le cône de Mach est une image pertinente du concept d'onde de choc et de mur du son. Lorsque l'avion dépasse Mach 1, les ondes se rangent dans un cône ayant l'avion pour sommet. La frontière entre le cône de mach et l'extérieur forme une hyperbole qui avance avec l'avion. L'intensité du bang est le résultat du changement brusque de pression lorsque la pression de l'air retrouve soudainement son équilibre moyen naturel. Cette implosion de l'onde sur elle-même provoque le bang.
Crédit : FA-18 Hornet brisant le mur du son le 7 juillet 1999 by Ensign John Gay, U.S. Navy
Onde de choc
Avant d'expliquer l'effet Tcherenkov il faut comprendre le phénomène qui crée l'onde de choc produite derrière un avion qui dépasse la vitesse du son (≈340 m/s).
Lorsque la vitesse de l'avion est inférieure à la vitesse du son, les ondes sonores se propagent autour de lui dans toutes les directions. Ces sphères concentriques de pression de l'air augmentent leur rayon de 340 mètres chaque seconde et l'avion est toujours à l'intérieur du front d'onde. Ainsi, les ondes sonores produites par les chocs des molécules d'air se déplacent plus vite que l'avion et leurs énergies se dissipent lentement avec le carré de la distance (i=p/4πr2).
Mais, au fur et à mesure que la vitesse de l'avion augmente, les ondes situées devant lui se rapprochent les unes des autres et se tassent de plus en plus, tandis que celles situées derrière s'étirent. Cet effet de dilatation et de contraction des fréquences sonores est la cause de l'effet Doppler (le son des objets sonores approchant semble plus aigu !).
L'intensité des ondes sonores peuvent s'additionner comme les hauteurs des vagues peuvent s'additionner lorsqu'elles se rencontrent. Tant que l'avion se déplace plus lentement que les ondes sonores qu'il crée, les ondes restent circonscrites les unes dans les autres sans que leur énergie s'additionne.
Mais lorsque l'avion atteint la vitesse du son, tout en générant de nouvelles ondes depuis sa position courante, les ondes qui ont la même phase se réunissent, s'accumulent devant lui et la pression s'élève brutalement formant une onde de choc. Puis la pression diminue le long de l'avion pour s'élever à nouveau brutalement au niveau de la queue de l'avion. Ces deux surpressions provoquent deux bangs supersoniques si rapprochés que notre oreille n'en perçoit qu'un. Ce bang n'est pas entendu par les passagers car le choc de pression situé derrière l'avion ne peut rattraper l'avion. Les ondes de choc se propagent alors dans un cône appelé le cône de Mach.
Au moment où la vitesse de l'avion dépasse Mach 1, il franchit en un instant la barrière d'air comprimé qui s'était formée devant lui, c'est ce que l'on appelle le mur du son. L'onde de choc produite, fait subir à l'air environnant des variations brutales de pression et de température. Il arrive que la température de l'air descende sous le point de rosée, la vapeur d'eau contenue dans l'air se condense alors en fines gouttelettes formant un nuage qui accompagne l'avion dans son vol supersonique comme sur la photo ci-dessus.
Explication de l'effet Tcherenkov
Image : La luminosité bleutée de l'eau des piscines de refroidissement des combustibles usés des centrales nucléaires est générée par l'effet Tcherenkov.
La vitesse de la lumière dans le vide (299792 km/s) est la vitesse maximale de déplacement de l'énergie. Mais la vitesse de la lumière dans l'eau (225563 km/s) peut être dépassée, ce qui rend possible l'effet Tcherenkov.
Crédit : Radiation Tcherenkov dans le cœur de l'Advanced Test Reactor, Idaho National Laboratory.
La lumière Tcherenkov, du physicien russe Pavel Tcherenkov (1904-1990), est un flash de lumière produit par une particule dotée d'une charge électrique lorsqu'elle se déplace dans un milieu matériel (comme l'eau ou l'air) avec une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière dans ce milieu. La vitesse de la lumière dans le vide reste toujours supérieure à celle-ci.
L'analogie entre l’effet Tcherenkov et l'onde de choc supersonique est facile à imaginer.
Un avion se déplaçant plus vite que le son dans l'air crée une onde de choc sur laquelle toutes les ondes sonores se retrouvent. La correspondance avec l’effet Tcherenkov se fait en remplaçant l'avion par une particule chargée et le son par la lumière.
Dans un milieu matériel comme l'eau ou l'air, la lumière se déplace à une vitesse c1 = c/n.
c = vitesse de la lumière dans le vide
n = indice de réfraction du milieu toujours > 1 (exemples : air=1.0003, eau=1.333, fibre optique=1.5, diamant=2.41)
Une particule chargée peut se déplacer dans ce milieu à une vitesse v supérieure à c1 mais reste inférieure à c, ce qui ne contredit pas la théorie de la relativité restreinte.
Qu'est-ce qui explique cette émission radiative bleue dans l'eau ?
La particule chargée interagit tout au long de sa trajectoire avec le milieu qu'elle traverse. Pendant son voyage dans l'eau, elle perturbe temporairement les atomes rencontrés. Autrement dit, les électrons s'écartent de leur position initiale, puis reviennent à leur place. Ainsi, chaque atome rencontré par la particule rend l'énergie absorbée et devient émetteur d'un rayonnement. Toutes les ondes émises par chacun des atomes se superposent de façon désordonnée, elles présentent des phases différentes, tant et si bien que leur somme s'annule.
Or la vitesse dans l'eau, de la particule chargée, que l'on peut assimiler à l'avion supersonique, est plus rapide que la vitesse de l'onde émise par chaque atome dans l'eau. Lorsque la particule dépasse la vitesse de la lumière dans le milieu, toutes les ondes se retrouvent sur la même phase et donc s'additionnent constructivement comme dans le cas de l'onde de choc supersonique. Ce phénomène provoque alors un front d'onde analogue au mur du son dans le cône de Mach. Une transition brutale se produit alors sur l'ensemble de la trajectoire de la particule, soit 10 milliards de fois par mètre. L'effet Tcherenkov se manifeste, tout au long du parcours, par l'émission d'une onde lumineuse à toutes les longueurs d'ondes, avec une prédominance dans le bleu et l'ultraviolet.
Ces flashs permettent d'expliquer la lumière bleue des piscines de refroidissement des combustibles usés des centrales nucléaires. Elle est due aux électrons énergétiques émis par la radioactivité qui atteignent des vitesses supérieures à celle de la lumière dans l’eau.
Les détecteurs Tcherenkov sont situés dans de grandes cuves d'eau et servent à la détection des particules de très haute énergie (Antarctic Muon and Neutrino Detector Array, Super-Kamiokande).
La lumière Tcherenkov intervient aussi dans la détection des neutrinos produits dans les réactions nucléaires au cœur du Soleil (Sudbury Neutrino Observatory).
Les astronautes des missions Apollo s'étaient tous plaints de phosphènes lors de leurs missions. On découvrit que ces troubles visuels lumineux étaient dus à l'effet Tcherenkov. Les particules du vent solaire traversant le liquide des globes oculaires produisent des phosphènes. De tels phosphènes se produisent aussi sur Terre, au rythme d'un ou deux en moyenne par personne et par an.