2nde. G. Présentation de l’Univers

Les élèves doivent savoir
  • Savoir que le remplissage de l’espace par la matière est essentiellement lacunaire, aussi bien au niveau de l’atome qu’à l’échelle cosmique.
  • Connaître la valeur de la vitesse de la lumière dans le vide (ou dans l’air).
  • Connaître la définition de l’année de lumière et son intérêt.
  • Expliquer l’expression : « voir loin, c’est voir dans le passé ».
  • Utiliser les puissances de 10 dans l’évaluation des ordres de grandeur.

Le remplissage de l’espace par la matière est essentiellement lacunaire aussi bien au niveau de l’atome qu’à l’échelle cosmique. Les dimensions de l’Univers sont telles que la distance parcourue par la lumière en une année est l’unité́ adaptée à leur mesure.

Mise en situation

« Sommes-nous seuls dans l’Univers ? Existe-t-il, au-delà de la Terre, des endroits favorables à la vie ? Des êtres vivants ont-ils pu se développer sur d’autres astres et sous quelles formes ? […] Aujourd’hui, la Nouvelle Frontière est aux confins de notre système solaire. D’ici à la fin du troisième millénaire, elle sera sur les marches des étoiles proches. Cette quête incessante de l’inconnu et de la nouveauté ne s’arrêtera jamais. »

Ainsi est présenté le dernier livre de l’astrophysicien André Brahic (1942-2016), « Terres d’ailleurs », publié en 2015 (Edition Odile Jacob).

L’observation du ciel par une belle soirée d’été ne manque pas de déclencher la rêverie et les questions : l’univers semble infini, mais que contient-il ? A quelle distance se trouvent les points lumineux que nous voyons ? Si nous trouvons une planète habitable près d’une étoile proche, pouvons-nous nous y rendre pour y vivre ?

Echelles dans l’Univers

dimensionsunivers

Dans le système international de mesures (S.I.), mis en place après la révolution française et utilisée par le monde entier depuis, l’unité de mesure de base de longueur est le mètre qui correspond aussi à l’ordre de grandeur d’un être humain.

L’ordre de grandeur est la puissance de dix la plus proche d’un nombre.

Les objets plus petits que l’être humain ont donc des tailles inférieures à 1m et ces tailles vont s’exprimer en puissances de dix en utilisant l’écriture scientifique :

ecriturescientifique

La taille d’un atome est de l’ordre de 0,1 nm = 1O-10 m. On sait que le noyau de l’atome est environ 100 000 fois plus petit que l’atome, ce qui lui donne un diamètre d’environ 10-15 m. La taille des particules qui le compose est plus incertaine, les quarks sont les constituants des protons et des neutrons et ils ne peuvent être observés directement. On estime que le diamètre des quarks est compris entre 10-20 et 10-35 m.

A l’opposé, les objets plus grands qu’un homme vont avoir des tailles s’exprimant avec des puissances de dix positives :

puissance10

Le Mont Blanc qui a une altitude de 4809 m donnera en écriture scientifique 4,809.103 m. La Terre a un diamètre de 1,276.107 m, Le diamètre du système solaire jusqu’à Neptune est de 4,498.1012 m et ne prend pas en compte ce qu’il y a au-delà, jusqu’aux limites de l’influence du Soleil que l’on appelle l’héliopause.

Enfin, notre galaxie, la Voie Lactée, a un diamètre d’environ 9,5.1022 m alors que la plus grande distance observable dans l’Univers est à environ 1,3.1026 m !!

Multiples et sous-multiples :

Nombre 1.000.000.000 1.000.000 1.000 100 10 1
Puissance 109 106 103 102 101 100
Préfixe giga méga kilo hecto déca unité
Symbole G M k h da
Nombre 1 0,1 0,01 0,001 0,000.001 0,000.000.001
Puissance 100 10-1 10-2 10-3 10-6 10-9
Préfixe unité déci centi milli micro nano
Symbole d c m μ n

Beaucoup de vide !

Nous avons déjà vu que l’atome est essentiellement constitué de vide, avec son noyau 100 000 fois plus petit que l’ensemble de l’atome et ses électrons encore plus petits qui auraient bien du mal à « occuper » l’espace laissé autour du noyau. Cette structure est possible grâce aux forces importantes internes à l’atome et au noyau, les interactions nucléaires fortes et faibles ainsi que l’interaction électromagnétique.

A l’échelle des planètes, des étoiles et des objets encore plus grands de l’Univers, l’espace est également essentiellement constitué de vide car les rares atomes qui se trouvent dans l’espace sont très espacés les uns des autres. On parle de structure lacunaire et discontinue.

Distances dans le système solaire : Unité Astronomique

Les puissances de dix sont très puissantes pour effectuer des calculs et pour représenter des nombres de façon compact, mais ils sont peu parlant pour un non scientifique et ont été complétés par d’autres unités par les astrophysiciens pour manipuler les grandes distances dans l’espace.

Ainsi dans le système solaire on utilise couramment l’unité astronomique (ua) :

1 ua = 149 597 870 700 m (distance moyenne entre la Terre et le Soleil)

Donc environ 150 millions de kilomètres.

Cela permet de situer plus facilement les planètes du système solaire relativement au Soleil :

Mercure 0,38 ua
Venus 0,72 ua
Terre 1 ua
Mars 1,52 ua
Jupiter 5,21 ua
Saturne 9,54 ua
Uranus 19,18 ua
Neptune 30,11 ua

Avec cette unité, la très grande distance qui sépare les planètes extérieures du système solaire (Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune) apparaît clairement.

Vitesse de la lumière et Année Lumière

Comme vous l’avez vu au collège, la lumière se propage en ligne droite et les premières mesures précises de la vitesse de la lumière dans le vide ont été faites au milieu du XIXe siècle.

La vitesse de la lumière dans le vide est une constante de la physique qui sert à la définition du mètre dans le Système International (S.I.) (http://www.bipm.org/fr/publications/si-brochure/metre.html)

La vitesse de la lumière est notée c et s’exprime en mètres par secondes (m.s-1). Dans le vide sa valeur est la suivante :

                      c = 299 792 458 m.s-1

On utilisera donc l’approximation : c = 300 000 000 m.s-1

Les astrophysiciens utilisent cette vitesse pour exprimer des distances entre la Terre et des objets situés hors de notre système solaire. Ils ont créé une unité nommée « année lumière » (al). Il ne s’agit pas d’une durée ( !!) mais de la distance parcourue par la lumière durant une année terrestre.

Sachant que l’année comporte 365,25 jours de 24 heures comportant chacune 60 minutes de 60 secondes :

1 al = 365,25 × 24 × 60 × 60 × c = 9,46.1015 m

Soit environ 9 460 milliards de kilomètres. Un chiffre vertigineux mais qui rend compréhensible les distances entre les étoiles. Ainsi Proxima Centauri, l’étoile la plus proche du Soleil, se trouve à « seulement » 4,24 al !

Pour des distances plus lointaines, certains astrophysiciens utilisent aussi le parsecs qui correspond à : 1 pc = 3,26 al.

Voir loin c’est voir dans le passé

Si la lumière se propage à la vitesse de 300 000 km par seconde et parcourt une année lumière en un an, cela signifie qu’un objet situé à une année lumière a émis sa lumière il y a un an. Nous le voyons donc comme il était il y a un an.

Par conséquent, la distance en année lumière des objets dans l’espace nous donne également le temps qu’il s’est écoulé depuis qu’ils ont émis la lumière (au sens large : visible ou rayonnement électromagnétique invisible à l’œil) que nous avons captée.

Le centre de la Voie Lactée se trouve à 28 000 al du Soleil, la lumière qui nous en parvient a donc été émise il y a 28 000 ans, alors que nous étions encore au Paléolithique supérieur et que l’Homme de Neandertal venait de s’éteindre !

Les scientifiques ont utilisé cette propriété de la lumière pour chercher à déterminer l’âge de l’Univers. Il se trouve que la plus grande distance observable est de 13,7.109 al. Donc l’Univers observable est né il y a environ 13,7 milliards d’années, une date qui est connue comme le « Big Bang », mais les astrophysiciens continuent d’explorer l’Univers car il est possible qu’avant cette date la lumière n’ait pas pu se propager. Et il reste également de nombreux autres phénomènes astronomiques inexpliqués !

Voyage vers les étoiles

La vitesse de la lumière étant une constante physique qu’il est impossible de dépasser, cela signifie aussi que nous ne pourrons jamais voyager plus vite que la vitesse de la lumière.

Depuis la première découverte confirmé d’une exoplanète, planète hors de notre système solaire, en 1989, et la découverte de plus de 3000 exoplanètes (en 2016), la tentation est grande de pousser notre soif d’exploration vers ces mondes lointains dont certains pourraient posséder des conditions compatibles avec la vie humaine.

Pour se rendre sur ces mondes lointains en ce début de XIXe siècle, nous possédons des vaisseaux qui sont très lents par rapport aux distances à parcourir. Le vaisseau le plus rapide jamais lancé par l’Homme est la sonde Voyager 1 qui a été accéléré par les effets gravitationnels des planètes qu’elle a explorées dans le système solaire. Sa vitesse est de 17,25 km.s-1 !

A cette vitesse, combien de temps nous faudrait-il pour nous rendre dans le système Proxima Centauri (le plus proche de notre système solaire) ?

centauri

Il nous faudrait donc plus de 73 millions d’années pour atteindre l’étoile la proche avec nos moyens techniques actuels !

Nous avons donc intérêt à prendre bien soin de notre planète et de nous pencher davantage sur les planètes de notre système solaire comme étape suivante de notre expansion ! Pourquoi pas Mars ? C’est en tout cas l’un des objectifs de la NASA pour ce siècle.

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