LES PROGRES DE L’ASTRONOMIE par M André RIO

M André RIO
M André RIO

LES PROGRES DE L’ASTRONOMIE

1.Evolution des connaissances.

2.Les planètes du système solaire et leurs satellites.

3Le soleil et les étoiles.

4.Les galaxies.

5.Histoire de l’univers.

1.Evolution des connaissances.

L’astronomie avant Copernic est contenue dans le système d’Aristote (-384 ; -322) et de Ptolémée (90 ;168) .A côté des observations et des théories astronomiques, on y trouve des considérations religieuses, mythologiques, astrologiques, philosophiques, dont l’astronomie moderne a dû se débarrasser pour progresser .Ce système considérait la Terre comme le centre du monde, et le ciel comme un décor tout proche et immatériel .On n’avait aucune idée de la distance des astres et de leurs dimensions, et le mouvement apparent des planètes s’interprétait par des trajectoires compliquées.

Le système de Copernic (1473; 1543) apporte une grande simplification et une interprétation plus réaliste : la Terre est une planète parmi les autres; toutes tournent autour du Soleil d’un mouvement circulaire uniforme.

Kepler (1571; 1630) précise les lois du mouvement des astres .S’appuyant sur des mesures plus rigoureuses, il montre que leurs trajectoires sont des ellipses et non des cercles.

Galilée (1564; 1642) le premier utilise la lunette astronomique .Préoccupé avant tout de données objectives, il observe des montagnes sur la Lune, des taches sur le Soleil, les phases de Vénus et de Mercure, analogues à celles de la Lune, et quatre satellites de Jupiter .Tous ces résultats vont à l’encontre des idées de l’époque .Copernic avait subi des tracasseries, Kepler une véritable persécution, et tous deux avaient dû adopter une attitude très discrète; avec Galilée, ce sera pire .L’Eglise, alors toute puissante, avait adopté le système d’Aristote qu’elle considérait comme seule conforme à sa doctrine, et elle réagît d’autant plus violemment que l’attitude de Galilée fût provocatrice.

Au XVIIème siècle, on commence à réaliser l’immensité de l’Univers (les espaces infinis de Pascal) .On mesure la distance et les dimensions de la Lune, et sans pouvoir préciser encore la distance du Soleil, on s’aperçoit qu’il est bien plus éloigné et bien plus grand et que c’est une étoile comme les autres,

Newton (1642; 1727) explique le mouvement des astres par l’attraction universelle .A partir d’une loi très simple, il établit une méthode générale, le calcul intégral, qui permet de déterminer les trajectoires des corps célestes.

Aux XVIIIème et XIXème siècles, de grands progrès sont accomplis .Le télescope , plus performant, remplace la lunette; on découvre de nouvelles planètes; les méthodes de calcul se perfectionnent et permettent à Le Verrier de prévoir l’existence de Neptune, observée peu après à l’endroit annoncé des astres: c’est l’astronomie de position.

L’astronomie physique commence au XIXème siècle .L’expérience de Foucault (1819; 1868) démontre expérimentalement la rotation de la Terre sur elle même, mais celle de Michelson (1852; 1931) , réalisée entre 1881 et 1887, ne parvient pas à mettre en évidence la rotation autour du Soleil, résultat que la théorie de la relativité expliquera.

La nature chimique des corps célestes, qu’Auguste Comte (1798; 1857) avait déclarée à jamais impossible à déterminer, a été élucidée peu après par l’analyse spectroscopique de la lumière qu’ils émettent .On trouve en particulier que le Soleil est principalement constitué d’hydrogène, d’un élément alors encore inconnu, l’hélium, et renferme en quantités plus faibles tous les autres éléments .Dès 1863, on détecte dans les étoiles du sodium, du fer, du calcium, du magnésium .Les météorites tombées du ciel se révèlent analogues aux roches terrestres.

De tous ces résultat, on conclut que les lois de la physique sont les mêmes partout, que l’Univers entier est fait des mêmes éléments que la Terre, et qu’il constitue pour les physiciens un immense laboratoire capable de fournir un grand nombre de renseignements dans des conditions irréalisables sur terre.

Au XXème siècle, la première moitié du siècle voit de nouveaux perfectionnements des techniques, et une double révolution de la physique avec la Relativité qui, concernant les grandes distances et les grandes vitesses, donne une idée d’ensemble nouvelle de l’univers, son expansion révélée par Hubble, et la physique quantique qui interprète les mécanismes intimes des particules, explique la source d’énergie du Soleil et des étoiles et le rayonnement cosmique.

Au cours de la seconde moitié du siècle, les moyens mis en oeuvre sont considérablement accrus. La lumière visible n’est plus la seule source d’information .Tout le spectre électromagnétique est exploité, avec la radioastronomie , les astronomies infrarouge , ultraviolet, X et . Les différentes particules provenant de l’espace: protons, noyaux d’atomes, neutrinos, sont également détectés et apportent de nouvelles connaissances.

L’obstacle de l’atmosphère, qui ne laisse passer que la lumière visible et les ondes radio, est franchi par les satellites et les sondes planétaires .L’exploration directe de la lune (Programme Apollo) , l’exploration des planètes du système solaire et de leur satellites par les sondes (Pioneer ;Viking ;Voyager Mariner…) fournissent une masse d’informations sensationnelles .On découvre ou on décèle des astres exotiques: les étoiles à neutrons et les trous noirs, et on peut enfin imaginer l’histoire et l’origine de l’univers avec le Big-Bang.

2.Les planètes du système solaire.

Diamètre Masse Densité Distance du Soleil Révolution Rotation Satellites

Km * moyenne U.A.* Temps/ lumière

Soleil 1.400.000 33.000 1,4 25 j.

Mercure 4.720 0,056 5,44 0,3-0,46 88 j. 59 j. 0

Vénus 12.340 0,817 5 0,72 224 j. 243 j. 0

Terre 12.756 1 5,5 1 8 min. 365 j. 24 h. 1

Mars 6.899 0,108 3,8 1,4-1,6 12,5 min. 1 an 321 j. 24 h.37 min. 2

Jupiter 142.113 318 1,36 4,9-5,4 43 min. 11 ans 312 j. 9 h.50 min. 14

Saturne 119.916 95 0,7 10 1 h.20 min. 29 ans 167 j. 10 h.14 min. 17

Uranus 51.028 14 1,3 20 2 h.46 min. 88 ans 17 h.24 min. 5

Neptune 44.650 17 2,3 30 4 h. 164 ans 15 h.48 min. 8

Pluton 2.200 0,1 2 env. 29-50 6 h.40 min. 241 ans 21 j. 6,39 j. 1

* La masse de la Terre est prise comme unité

** U.A. : Unité astronomique : distance moyenne de la Terre au Soleil (150 millions de km.)

La Lune.

Diamètre : 3500 km.

Masse : 0,0123 masse terrestre

Densité : 3,34

Distance à la Terre : minimum : 322.000 km.

moyenne : 353.000 km.

maximum : 384.000 km.

Révolution et rotation : 27 jours

Elle ne possède aucune atmosphère; il n’y a donc pas d’érosion ;sa surface conserve les traces du bombardement de météorites qu’elle a subi à son origine :elle est parsemée de cratères de toutes dimensions .Les taches sombres appelées improprement “mers” sont en réalité des épanchements de basalte anciens .Elle ne renferme pas d’eau liquide, mais on y a détecté récemment de la glace dans des cratères des pôles, à l’abri de la lumière solaire.

Mercure .Son aspect est analogue à celui de la Lune et il n’y a pas d’atmosphère .Sa température peut varier de 430° le jour à -180° la nuit .On y a également décelé de la glace aux pôles .

Vénus a été explorée par les sondes Venera et la sonde Pionneer dés 1978.Elle possède une atmosphère très dense (95 bars) constituée de gaz carbonique et d’azote, mais très peu de vapeur d’eau, et des nuages épais de gouttelettes d’acide sulfurique .Les vents sont très violents en altitude ;la température à la surface atteint environ 450°.Le relief a été obtenu au moyen des radars de sondes satellisées .Il est constitué d’une couche très épaisse et rigide de basalte et comporte trois grands massifs montagneux: Terra Ishtar, plateau rocheux à 3.000 m. au dessus du niveau moyen, surmonté d’un sommet à 11.000 m.; Terra Aphrodite à 9.000 m. et Bêta Regio .Il existe aussi une zone de plaines, une dépression analogue à un rift à -2.900 m. et un grand bassin à -2.700 m .Il est possible qu’il existe encore du volcanisme.

Mars a été exploré par des sondes en orbite et différents instruments au sol .Son atmosphère très ténue (0,01 bar) , formée d’azote et de gaz carbonique, produit cependant des tempêtes de poussières qui l’obscurcissent parfois .Sa température est le plus souvent négative et peut descendre la nuit à -125°;ses calottes polaires sont constituées de glace et de neige carbonique .Son relief, maintenant bien connu, fait apparaître un volcanisme et des évènements tectoniques anciens, de l’érosion et de la sédimentation .L’hémisphère nord renferme des plaines volcaniques et sédimentaires ;l’hémisphère sud des cratères d’impact et du volcanisme On y observe des vallées sinueuses et ramifiées qui indiquent que dans une période ancienne la température devait être plus élevée et l’eau liquide présente à la surface .Son état actuel est impropre à la vie .Mars possède deux satellites très petits: Phobos et Deimos.

Jupiter comme le soleil est composé essentiellement d’hydrogène et d’hélium et ne possède pas de surface solide .On y observe des nuages en zones et la tache rouge, qui est un énorme tourbillon .La température est très basse en surface et probablement très élevée en profondeur .Il est vraisemblable qu’il existe un noyau métallique et rocheux au centre .Jupiter est aussi un puissant émetteur d’ondes radio

Il possède des anneaux très ténus et de nombreux satellites .Le plus proche, Amalthée, est très petit (270 x 140 km.) ;sa révolution dure 0,49 jour .Io ensuite a une taille et une densité proches de celles de la Lune (révolution: 1,77 jour).Elle possède des volcans actifs, mais pas d’impacts, car sa surface, très colorée de noir, jaune et rouge est récente .On y a détecté du soufre, mais pas d’eau, et une atmosphère de gaz sulfureux.

Europe, de taille analogue, est couverte d’une couche de glace épaisse d’une centaine de kilomètres et très fracturée, récente car présentant peu d’impacts .Ganymède, deux fois plus éloigné qu’Europe, d’un diamètre de 5.000 km .Sa révolution est de 7 jours environ .Il est entièrement recouvert de glace avec de nombreux impacts .Callisto, un peu plus petite que Ganymède, semble formée essentiellement de glace .Sa surface sombre est criblée de cratères d’impact.

Saturne a une composition analogue à celle de Jupiter, mais une densité très faible (0,7). Ses anneaux, très fins et très nombreux, sont formés de débris .Ils sont limités par les orbites de petits satellites (satellites bergers) .Ils s’étendent jusqu’à 100.000 km de la planète .Au-delà se trouvent de nombreux satellites dont Mimas : 390 km. de diamètre, porte un très gros cratère. Encelade (490 km. de diamètre) dont la surface très brillante présente de petits cratères .Thétys, formée principalement de glace, avec de nombreux cratères et des failles Dioné, (diamètre : 1.100 km) avec des cratères et des traînées brillantes, et Rhéa (diamètre : 1.500 km.).

Au delà d’un million de kilomètres, on trouve Titan, le plus gros des satellites de Saturne, (diamètre : 5.150 km.) , entièrement couvert de nuages rougeâtres, possède une atmosphère d’azote à la pression d’environ 3 bars, une température en surface de -180°.On y a détecté de nombreuses molécules organiques (méthane ;acétylène acide cyanhydrique…) . Il pourrait y avoir de l’azote liquide .Sa surface, observée en infrarouge par le télescope Hubble, parait brillante.

Plus loin, on trouve Hyperion, petit et sombre, Japet, plus grand, présente une face claire et une autre sombre, et enfin Phoébé, à plus de 10 millions de kilomètres, en un an et demi.

Uranus, découvert en 1781 par Herschell, a été exploré par Voyager 2. De couleur bleue, son atmosphère est composée d’hydrogène et de méthane; sa température de surface est d’environ -200°.Son axe de rotation est incliné de 98°,donc presque parallèle au plan de l’écliptique, contrairement à toutes les autres planètes, ce qui fait que ses pôles se présentent alternativement face au Soleil en deux points de son orbite .On a observé 9 anneaux et 5 satellites rocheux couverts de glace dont Ariel, Oberon et Miranda.

Neptune a été détecté par Le Verrier d’après les perturbations du mouvement d’Uranus et observé en 1846 à la position prévue .On s’est aperçu récemment qu’il avait été signalé par Galilée prés des satellites de Jupiter et considéré alors comme une étoile .Observé par Voyager 2, de couleur bleue, son atmosphère comporte des nuages et des taches .On y a détecté du méthane, et sa température de surface est d’environ -230°.Il est entouré d’anneaux tronqués qu’on a appelés en 1989 Liberté, Egalité et Fraternité, et de 8 satellites dont Triton, très proche, de couleur rouge, et Néréide plus éloigné.

Pluton, découvert en 1930, a été longtemps mal connu et n’a pas encore été visité par des sondes .De petite taille(2.200 km.), sa température est d’environ -230°, il possède une atmosphère d’azote et une surface rougeâtre et tachetée .Son satellite Charon plus petit (1.180 km.),mais proche (19.640 km.), couvert de glace et grisâtre, orbite autour de Pluton en 6,39 jours.

Les autres objets du système solaire sont : des astéroïdes très nombreux ;on en connaît 18.000, la plupart entre Mars et Jupiter; des météorites, beaucoup plus petits, et des comètes. Ce sont des objets de petite taille (quelques kilomètres) dont les orbites sont très allongées. Elles sont constituées de glace, de débris rocheux et carbonés et de gaz. Lorsqu’elles s’approchent du Soleil, les matières volatiles échauffées s’échappent avec des poussières et constituent leurs queues qui s’étalent sur de très grandes distances .On admet qu’il en existe un très grand nombre dans le nuage de Oort situé à la limite du système solaire (50.000 unités astronomiques) et que le passage d’étoiles proches les précipite parfois vers le Soleil.

3.Le Soleil et les étoiles.

Le Soleil est une étoile quelconque, mais la plus proche et la mieux connue .C’est une masse gazeuse très chaude et ionisée ou plasma .Elle est constituée principalement d’hydrogène et d’hélium et renferme tous les autres éléments en quantités beaucoup plus faibles .L’énergie qu’elle dégage provient du centre où la température atteint 20 millions de degrés, ce qui permet la fusion de l’hydrogène en hélium, avec libération de photons X etet de neutrinos .Les photons n’atteignent la surface qu’au bout de 100 millions d’années, alors que les neutrinos s’échappent librement .A la surface, la température n’est plus que de 6.000° et la longueur d’onde des photons, qui se sont multipliés, a atteint celle de la lumière visible .L’intérieur du Soleil est opaque, car le gaz ionisé absorbe constamment les photons .Au dessus de la surface, la couronne constitue une atmosphère très ténue et très chaude .Le Soleil possède un champ magnétique moyen de 8 Gauss, dont la structure est très compliquée et très variable, et qui peut atteindre localement des milliers de Gauss (Le champ magnétique terrestre est d’environ 0,4 Gauss).La surface est granuleuse et présente des taches qui évoluent avec un rythme de 11 ans .L’intérieur est animé de mouvements de convection qui ramènent vers la surface la matière plus chaude des profondeurs.

Formation et évolution des étoiles .Des étoiles naissent constamment dans les galaxie, et on peut en suivre l’évolution (par exemple dans la nébuleuse d’Orion) .A l’origine, il y a des nuages de gaz (hydrogène et hélium) et de poussières, qui se condensent sous l’effet de leur masse .La contraction dégage une grande quantité de chaleur .Quand la température au centre atteint 20 millions de degrés, la réaction de fusion de l’hydrogène commence, et elle dure jusqu’à épuisement de l’hydrogène dans la région centrale .C’est une période de stabilité dont la durée dépend de la masse de l’étoile .Pour des étoiles comme le Soleil, c’est de l’ordre de 10 milliards d’années, mais les étoiles géantes ne durent que quelques millions d’années, car la fusion y est beaucoup plus rapide De nouvelles fusions se produisent aux dépends de l’hélium, avec formation d’éléments plus lourds : carbone, azote, oxygène …Le dernier effondrement provoque une explosion : l’étoile devient une géante rouge qui se condense ensuite en naine blanche, de la taille de la Terre, mais très dense (une tonne par millilitre) . Celle-ci se refroidira peu à peu en naine noire.

Les étoiles géantes subissent une série d’effondrements et de réchauffements qui portent leur coeur à des milliards de degrés, jusqu’à la formation de fer, élément le plus stable. L’effondrement final provoque l’explosion en supernova, aussi brillante qu’une galaxie, mais de courte durée .Le résidu peut être une étoile à neutrons, de quelques kilomètres de diamètre, mais très dense (un milliard de tonnes par millilitre) , ou un trou noir, encore plus massif, et qui ne laisse rien échapper, pas même la lumière .C’est au cours de cette explosion que les éléments plus lourds que le fer peuvent se former.

Les étoiles à neutrons sont aussi appelée pulsars, car elles émettent des ondes radio et parfois des rayons X à des fréquences qui vont de la seconde à la milliseconde.

Les différents types d’étoiles.

Les étoiles doubles sont très fréquentes. Les couples peuvent être constitués d’étoiles normales, naines, de pulsars ou de trous noirs. Il existe aussi:

Des étoiles variables comme les Céphéides, dont le diamètre et donc la luminosité varie sur des périodes de quelques jours à quelques centaines de jours.

Des étoiles de Wolf Rayet, découvertes pour la première fois en 1867.Ce sont des étoiles géantes en fin de vie qui ne renferment plus d’hydrogène, mais de l’hélium (98%) et de l’azote ou du carbone .Leur masse est de 20 à 50 fois celle du Soleil .Leur température de surface est de 40.000 à 60.000°; elles sont un million de fois plus brillantes que le Soleil. Elles sont très rares: on n’en connaît que 160 dans la Voie Lactée, et leur durée de vie n’est que de quelques centaines de milliers d’années .Elles s’achèvent en supernovae.

4.Les galaxies.

Les étoiles sont groupées en galaxies .Notre galaxie, la Voie Lactée renferme environ cent milliards d’étoiles .Elle a la forme d’un disque aplati avec des bras enroulés en spirale .Ses dimensions s’expriment en années-lumière (1 année lumière A.L.correspond environ à 10.000 milliards de kilomètres) . Son diamètre est de 150.000 A.L. et son épaisseur de 5.000 A.L.Le Soleil est à 30.000A.L.du centre .Il fait le tour de la galaxie en 200 millions d’années.

Outre les étoiles, les galaxies renferment des nuages de gaz, de poussières et de météorites. Dans ces nuages, on a détecté de nombreuses molécules : oxyde de carbone ;formaldéhyde ;eau; ammoniac ;acide cyanhydrique ;acide sulfhydrique ;acide formique ;alcool…et surtout de l’hydrogène .Ces nuages sont le lieu de formation d’étoiles nouvelles; on en a observé en particulier dans la nébuleuse d’Orion.

Notre voisine, la galaxie d’Andromède, située à 2 millions d’années lumières, est aussi une galaxie spirale, mais il existe également des galaxies elliptiques qui ne comportent pas de bras et renferment beaucoup moins de gaz .Dans les limites de l’univers observable, de 15 milliards d’années lumières, on estime qu’il existe quelques centaines de milliards de galaxies.

Les Quasars. Ce sont des astres très éloignés (quelques milliards d’années lumière), donc très anciens. Entouré d’un nuage de gaz, leur noyau a environ les dimensions du système solaire, mais il rayonne beaucoup plus que toute une galaxie ordinaire ;Il émet à la fois de la lumière, des ondes radio et des rayons X.Il pourrait avoir en son centre un trou noir géant.

Le rayonnement cosmique est constitué de noyaux d’atomes, principalement d’hydrogène, c’est à dire de protons animés d’une grande vitesse, proche de celle de la lumière, donc d’une grande énergie .Ils semblent avoir une origine très lointaine .En pénétrant dans l’atmosphère, ils percutent les atomes situés sur leur trajectoire en créant des gerbes de particules variées.

5.Histoire de l’univers.

Pour essayer de reconstituer cette histoire, on dispose d’observations abondantes d’évènements d’autant plus anciens qu’ils sont éloignés, puisque la lumière et les autres rayonnements ont dû parcourir un long chemin avant de nous parvenir, mais il ne s’agit pas de créer une nouvelle mythologie: il faut bien distinguer ce qu’on observe, qui est très fiable, et ce qu’on imagine, qui l’est beaucoup moins et peut être remis en question par des faits nouveaux.

L’expansion de l’univers a été suggérée par Hubble dés 1924.Il a constaté que la longueur d’onde de la lumière des galaxies lointaines est décalée vers le rouge, comme le bruit d’un véhicule qui s’éloigne est décalé vers les sons graves .Il en a déduit que ces galaxies s’éloignent d’autant plus vite qu’elles sont éloignées .L’univers serait donc né d’une explosion gigantesque, le Big-Bang .On a tenté de dater cet évènement par des méthodes indépendantes: l’âge des galaxies, l’âge des étoiles les plus anciennes et l’âge des atomes déterminé par la radioactivité .On observe une assez bonne concordance qui situe l’origine de l’univers à une quinzaine de milliards d’années environ.

La physique moderne tente d’interpréter cette histoire .A l’origine, l’univers aurait été minuscule et très chaud et n’aurait été constitué que de rayonnement .Le refroidissement accompagnant l’expansion aurait permis la formation de particules matérielles, quarks et électrons, puis de protons et de neutrons, ainsi que des antiparticules correspondantes ayant disparu .Cette matière était à l’origine composée essentiellement d’hydrogène, d’une proportion plus faible d’hélium et moins encore de deutérium et de lithium. L’effet de la gravité aurait ensuite condensé la matière en étoiles et en galaxies.

L’avenir de l’univers peut être imaginé selon deux scénarios possibles: une expansion indéfinie d’un univers de plus en plus froid ou une nouvelle contraction si l’expansion ne peut pas continuer indéfiniment .Tout dépend de la masse totale de l’univers .Si elle est insuffisante, rien n’arrêtera l’expansion .La masse visible paraît effectivement très insuffisante .On a bien détecté dans les galaxies une masse cachée importante, à laquelle pourrait s’ajouter celle des neutrinos ou d’autres particules inconnues, mais la question n’est pas encore résolue.

En conclusion, on ne prévoit pas de cataclysme universel dans les prochains milliards d’années, mais nous ne sommes pas à l’abri d’accidents locaux comme la chute d’astéroïdes, en attendant l’explosion du Soleil dans 5 milliards d’années.

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