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.

DES NOUVELLES DE L’UNIVERS par M Rio

DES NOUVELLES DE L’UNIVERS

riobravopar M André RIO

 

Les techniques. p.2.

Le système solaire ; Planètes et satellites. p.3.

Les planètes extrasolaires. p.6.

Le soleil et les étoiles. p. 7.

Les galaxies. p. 11.

Les matériaux de l’univers. p. 17.

L’univers, un grand laboratoire de physique. p. 18.

Histoire de l’Univers. p. 20.

Annexes. p. 22.

L’ astronomie progresse actuellement de façon spectaculaire. En moins de dix ans, une masse de nouvelles connaissances sont apparues, après les exploits des sondes qui ont exploré le Système Solaire.
L’univers est un immense laboratoire de physique où se rencontrent les conditions les plus extrêmes irréalisables sur terre. Un dialogue se poursuit entre la physique théorique et les observations permises par des techniques de plus en plus puissantes. Il concerne les deux théories fondamentales de la physique moderne : la Relativité Générale et la Mécanique Quantique qu’on s’efforce d’unifier par la théorie des Cordes, dans un espace à plus de dix dimensions.
Ce qu’on observe dans l’univers, c’est de la matière et du rayonnement. La matière se présente sous forme d’objets « classiques » : étoiles, planètes, satellites, astéroïdes, météorites et comètes, poussières, gaz et particules élémentaires (protons, électrons, neutrinos…), et des objets « exotiques » : naines blanches, étoiles à neutrons ou pulsars, trous noirs et quasars, le tout rassemblé dans d’immenses formations, les galaxies, groupées en amas et superamas.
On s’est aperçu que la masse de la matière ordinaire, formée d’atomes, était insuffisante pour expliques le mouvement des étoiles dans les galaxies et des galaxies dans les amas, et qu’il devait exister une « matière noire » de nature inconnue, peut être constituée de particules hypothétiques prédites par la théorie de la supersymétrie, et qu’il faudrait y ajouter une « énergie du vide » ou quintessence, ou une constante cosmologique prévue par Einstein pour de toutes autres raisons.
Le rayonnement électromagnétique qui accompagne la matière et nous permet de l’observer va des ondes radio aux rayons X et gamma en passant par l’infrarouge, la lumière visible et l’ultraviolet. On pense qu’il doit exister également des ondes gravitationnelles prévues par la Relativité Générale.

Les techniques.

Le temps est bien passé où le seul instrument de l’astronomie était le télescope à terre ; limité techniquement par le diamètre de son miroir parabolique et par l’écran de l ‘atmosphère qui ne laisse passer que la lumière visible, un peu d’infrarouge et d’ultraviolet, et dont la turbulence brouille les images. Ont suivi les radiotélescopes (Arecibo ; Nancay) qui captent toute la gamme des ondes radio, des ondes centimétriques aux kilométriques, et donnent une image très différente de l’univers.
Ce sont les instruments embarqués sur des satellites ou des sondes, dégagés de l’atmosphère, qui ont apporté les connaissances les plus récentes, et d’abord le télescope Hubble qui utilise la lumière visible. D’autres instruments captant l’infrarouge ont permis d’observer des objets masqués par des nuages de poussière ou dont la température est trop basse pour qu’ils soient lumineux. Ainsi les satellites IRAS et ISO ont pu observer le centre de la Voie Lactée, tandis que COBE et son successeur beaucoup plus performant WMAP, ainsi que l’opération Archéops en ballon ont cartographié le rayonnement fossile, dernière lueur de l’espace après le Big-Bang ,
avant la formation des étoiles et des galaxies.
L’imagerie en rayons X et gamma détecte des phénomènes à très haute énergie, en particulier ceux qui accompagnent les trous noirs et les étoiles à neutrons. Observation visuelle ou photographie sont remplacés par les détecteurs à transfert de charge plus performants.
L’astronomie à terre a fait également des progrès considérables grâce à deux techniques nouvelles : l’interférométrie et la correction de la turbulence atmosphérique. L’interférométrie combine les rayonnements reçus par deux ou plusieurs télescopes placés à une certaine distance les uns des autres. Le réglage doit être extrêmement précis, mais il permet, si la quantité de lumière reçue est suffisante, d’avoir l’équivalent d’un télescope géant ayant les dimensions de l’ensemble du dispositif.
La correction de la turbulence atmosphérique permet, par des déformations locales contrôlées du miroir de compenser en temps réel les perturbations de l’atmosphère et d’atteindre des performances supérieures à celles du télescope Hubble.
Diverses réalisations combinant ces deux techniques sont actuellement réalisées ou en cours de réalisation, en particulier le VLT (Very Large Telescope) européen au Chili, composé de quatre télescopes de 8 m de diamètre et de trois de 1,5 m , le VLA (Very Large Array) au Nouveau Mexique, le MEGACAM franco-canadien à Hawaï et le dispositif américain KECK comportant deux télescopes de 10 m, également à Hawaï.
Une foule d’autres instruments, à terre ou dans l’espace, utilisant des techniques variées, apportent une masse de connaissances nouvelles. Parmi les plus connus, on peut citer le satellite Hipparcos qui a cartographié de très nombreuses étoiles avec une très grande précision et le satellite SOHO qui a observé le soleil et a contribué de façon importante à en comprendre le fonctionnement.
La détection des neutrinos : ils apparaissent dans les réactions nucléaires, en particulier celles qui se produisent dans le cœur des étoiles, dans les réacteurs nucléaires et dans la radioactivité. Interagissant très peu avec la matière, leur détection exige d’énormes dispositifs souterrains à l’abri des autres rayonnements. C’est grâce à leur extrême abondance qu’on parvient à en détecter un petit nombre, et ils ont permis en particulier d’observer la fusion de l’hydrogène au cœur du soleil.
La détection des ondes gravitationnelles présente des difficultés considérables et exige la construction de dispositifs énormes dont il faudrait mesurer des déformations infimes au passage de ces ondes. Le détecteur franco italien VIRGO près de Pise en cours de construction comportera deux bras de 3 km . D’autres réalisations sont en cours, en particulier LIAO (US) TAMA (Japon) , GEO (Grande Bretagne- Allemagne), ou en projet, mais aucun n’a encore donné de résultats.

Le système solaire.

Toutes les planètes du système solaire et leurs satellites ont été explorés par une série de sondes (Pioneer, Vicking, Voyager…) dans la seconde moitié du XXème siècle, à l’exception de Pluton encore mal connu, et pour lequel il n’existe que des projets incertains. Les investigations actuelles se concentrent sur des buts plus précis : Mars ; Europe, satellite de Jupiter et Titan, satellite de Saturne. Ces objectifs sont motivés par la recherche des conditions d’origine de la vie, mais n’excluent pas de s ‘intéresser à d’autres sujets.
Mercure et Vénus n’ont pas fait l’objet de nouveaux résultats spectaculaires, si ce n’est la présence de glace aux pôles de Mercure, et, parmi les différentes hypothèses concernant l’origine de la Lune, le choc de la Terre à peine formée avec une planète de la taille de Mars semble s’imposer.
Mars a reçu la visite de nombreux engins : Vicking en 1976, Pathfinder et Mars Global Surveyor en 1997, puis Mars Odyssey, Mars Express européen, qui a perdu l’atterrisseur Beagle, et les américains MER 1 et MER 2 lancés en 2003.
Le principal résultat est la confirmation de la présence d’eau sous forme de glace et d’un passé lointain où de l’eau liquide a circulé et séjourné à la surface, provoquant érosion et sédimentation, grâce à une température et une pression atmosphérique plus élevées. Actuellement, la température moyenne est de –60°C à l’équateur et de –123°C aux pôles, mais peut atteindre ou dépasser légèrement 0°C en été. La pression atmosphérique n’est que le centième de celle de la Terre, mais il s’y produit des tempêtes de poussière.
Dans le passé, une atmosphère plus dense aurait produit un effet de serre, entraînant une température plus élevée. L’eau liquide a laissé des coulées de boue, certaines relativement récentes (moins de 10 millions d’années) , des dépôts d’argile, de sels, creusé des vallées. Cette période plus chaude aurait été assez brève, il y a 3,5 milliards d’années.
La sonde Pathfinder, qui a parcouru 200 m2, s’est posée à l’embouchure d’un vaste chenal parsemé de roches et en a fait l’analyse. Le site est une plaine qui semble avoir été le siège de crues catastrophiques. On y observe des cailloux, des galets dans de petits chenaux, des roches érodées, des dunes de sable, de la boue séchée. Les roches sont d’origine volcanique ou sédimentaire et recouvertes de poussière.
Les robots Opportunity et Spirit, aux antipodes l’un de l’autre sur l’équateur, ont parcouru de nombreux kilomètres et procédé à des analyse du sol. Les résultats indiquent que Mars aurait été plus chaude, avec une atmosphère plus dense et de l’eau liquide, il y a 4 milliards d’années.
En projet pour 2009, la sonde Mars Science Laboratory ( 600 kg) devrait explorer le sol et le sous-sol pendant 2 ans, et Mars Sample Return (NASA et CNES), entre 2013 et 2018, devrait prélever des échantillons et les ramener sur terre.
Mars a perdu une grande partie de son eau par évaporation dans l’espace, ce qu’indique la proportion élevée de deutérium (hydrogène lourd), l’eau lourde étant moins volatile que l’eau ordinaire.
D’autres informations indiquent que Mars possède un noyau métallique liquide d’environ 1800 km de diamètre, n’a pas de champ magnétique global mais des champs locaux, surtout dans les terrains les plus anciens, vestiges d’un champ ancien.

Les astéroïdes de la ceinture qui existe entre Mars et Jupiter seraient constitués d’agglomérats de cailloux, de sable et de poussière. Ils sont criblés de cratères et présentent des formes irrégulières. Il en existe environ 700 000 dont 800 ont plus d’un kilomètre de diamètre et croisent l’orbite de la Terre ; certains vont par paires.
Jupiter a été la cible de la mission Galileo lancée le 18 octobre 1989 ; elle a atteint Vénus en février 1990, l’astéroïde Gaspra en octobre 1991, Ida en août 1993, observé la chute de la comète Schoemaker- Levy en juillet 1994, et a lancé une capsule en direction de Jupiter le 13 juillet 1995.La capsule a atteint Jupiter le 7 décembre 1995, tandis que Galileo se mettait en orbite à 210 000km de Jupiter, ce qui lui a permis d’observer un anneau de poussière entre 57 000 et 51 000 km, et une ceinture de radiations émettrice d’ondes radio vers 50 000 km.
La capsule a pénétré l’atmosphère de Jupiter et y a parcouru160 km en 58 minutes puis a cessé d’émettre. A ce moment, la pression était de 22 bars et la température de 227°C. La capsule est tombée par hasard sur un point chaud de l’atmosphère, appauvri en eau, en soufre et en ammoniac, transparent et parcouru par des vents de 550 km\h. La sonde Galileo est toujours en orbite autour de Jupiter.
Io, satellite le plus proche de Jupiter, a une activité volcanique intense et des laves plus chaudes que celles de la Terre (2000°C).
Europe est couverte de glace très fissurée. Sa température de surface varie de –163 à –223 °C de l’équateur aux pôles, mais il pourrait y avoir de l’eau liquide et salée à une trentaine de km de la surface, et au centre un noyau de fer surmonté d’un manteau rocheux. Des projets d’exploration sont en cours.
Ganymède possède un champ magnétique intense ayant pour origine un noyau de fer de 1500 km recouvert d’un manteau de glace.
Saturne.
Titan, le plus grand satellite de Saturne, a environ la taille de Mercure. En 1980, il a été approché à moins de 6500 km par Voyager 1. Son atmosphère est composée en majorité d’azote, et aussi de méthane, la température en surface est de –180 °C et la pression de 1,5 bar. Il est couvert d’une brume orangé opaque. La lumière solaire provoque dans la haute atmosphère la formation de molécules organiques qui tombent sur la surface. On a observé des vents violents en altitude. Le radiotélescope d’Arecibo (Porto Rico) a confirmé que la surface est recouverte en grande partie de goudrons. La mission Cassini- Huygens, qui a apporté de nouvelles données, a été lancée en octobre 1997 et a atteint Saturne en juillet 2004. Son objectif est à la fois Saturne et Titan. Elle est composée du vaisseau spatial américain Cassini qui s’est mis en orbite autour de Saturne et de la sonde européenne Huygens qui a été larguée sur Titan en janvier 2005. Les résultats ont dépassé les espérances : Huygens a atteint la surface de Titan après avoir traversé son atmosphère en deux heures et demi. L’atmosphère est composée d’ azote (98%) et de méthane (2%) et renferme des traces d’hélium, d’hydrocarbures et de nitriles. La température varie de –200°C à –95°C. Elle est minimale à 40 km d’altitude. Au sol, on a observé une pression de 1,5 bar et une température de –179,4°C.
Parvenue au sol, la sonde Huygens a transmis ses informations à Cassini pendant plus d’une heure. Enregistrées, elles ont ensuite été retransmises vers la Terre. Elles comportent 350 photographies. L’atmosphère porte une brume orangé de méthane, d’éthane et de composés goudronneux. Les vents sont faibles en surface, violents en altitude. Le sol est très plat et comporte des zones sombres et lisses et d’autres claires et brillantes dont la limite ressemble à une ligne de côte. On observe des méandres analogues à ceux d’un cours d’eau.
La sonde s’est enfoncée de 15 cm et a libéré du méthane. On a observé des galets de glace, des traces d’érosion ; la surface paraît jeune, formée d’une croûte mince sur un sous sol spongieux. Le méthane semble jouer un rôle analogue à celui de l’eau sur Terre.
Cassini doit survoler Titan plus de 40 fois en 8 ans et en cartographier la surface. L’intérêt porté à Titan est que l’action des Ultra Violets du Soleil crée dans son atmosphère des molécules qui, dans des conditions plus favorables, peuvent être à l’origine de la vie. Ces conditions auraient pu exister sur Mars il y a 4 milliards d’années.

De nouveaux satellites de petite taille ont été découverts autour de Jupiter et de Saturne. Leurs diamètres sont compris entre 5 et 50 km. Au total, on comptait en 2001 30 satellites pour Jupiter, 36 pour Saturne et 21 pour Uranus.
Les orbites des planètes et de leurs satellites ne sont pas immuables : depuis sa formation, la Lune s’écarte progressivement de la Terre. Souvent, les migrations aboutissent à une stabilisation par résonance, c’est à dire que les périodes de révolution présentent des rapports simples : pour Pluton et Neptune ce rapport est de 3\2.
Depuis sa formation, Neptune se serait éloigné du Soleil de 18 UA à sa position actuelle à 30 UA (L’unité astronomique UA est la distance Terre – Soleil, soit 150 millions de km) , entraînant les petits objets qui constituent la ceinture de Kuiper de 30 à 100 UA, et dont Pluton et son satellite Charon pourraient faire partie.
Le premier de ces objets a été découvert en 1992 au delà de Neptune. Il en existerait des milliers de diamètre supérieur à 100 km, en résonance avec Neptune, et les comètes à courte période pourraient en provenir, tandis que les comètes à longue période proviennent de la ceinture de Oort beaucoup plus éloignée.
Pluton et Charon . Pluton a été découvert en 1930. Son diamètre de 2400 km est inférieur à celui de la Lune. Son orbite est très excentrée et inclinée de17° sur l’écliptique. Sa surface, très brillante, serait constituée d’azote, d’oxyde de carbone et de méthane solides et de glace. On a observé des calottes polaires. La pression atmosphérique est très faible (1\10 000 de bar) la température très basse (40 à 60 °K) . Son satellite Charon , distant seulement de 19 600 km, a été découvert en 1978. D’un diamètre de 1200 km, sans atmosphère, sa surface est beaucoup plus sombre. Des envois de sondes sont possibles en 2006, avec arrivée en 2015 (Projet New Horizon), ou ensuite une fenêtre moins favorable en 2018.
Les sondes Pioneer et Voyager, qui ont atteint les confins du Système Solaire ont observé qu’il est entouré d’un halo de poussière résultant de chocs entre la multitude de petits objets qu’il contient. Il baigne également dans une bulle de plasma qui a pour origine le vent solaire constitué de gaz ionisé et soumis au champ magnétique du Soleil. Sa frontière ou héliopause qui fluctue entre 70 et 140 UA est limitée par le champ magnétique interstellaire.
Origine du système solaire.
Il se serait formé il y a environ 4,55 milliards d’années à partir des restes d’explosions d’étoiles géantes (supernovae) qui auraient formé un nuage en rotation qui s’est contracté et aplati. Au centre, le Soleil a rassemblé 99,8 % de la masse totale, le reste s’agglomérant progressivement pour former les planètes, satellites, astéroïdes et débris divers.
L’eau est très abondante dans le système solaire. Elle renferme une faible quantité de deutérium (hydrogène lourd) variable selon son histoire. Jupiter et Saturne ont conservé la proportion d’origine (D\H = 2,5. 10-5 ) tandis que les océans terrestres sont enrichis (D\H = 1,5 .10-4) . L’eau sur Vénus et sur Mars , beaucoup moins abondante, est encore beaucoup plus riche en deutérium. En effet, quand une planète perd de l’eau par évaporation dans l’espace, l’eau se concentre en eau lourde moins volatile. Aux températures élevées du Soleil au contraire le deutérium est converti en hélium.

Les planètes extrasolaires.

Une planète est un astre trop petit pour que s’y amorcent des réactions nucléaires. La limite supérieure est d’environ 15 fois la masse de Jupiter. Comme le soleil, les autres étoiles peuvent aussi avoir des planètes, mais leur détection est difficile : beaucoup trop petites, elles sont noyées dans la lumière de leur étoile et ne peuvent être observées directement. Depuis 1991, différentes techniques ont permis de détecter plus d’une centaine de planètes autour d’étoiles proches, mais uniquement des planètes géantes, la plupart de taille égale ou supérieure à celle de Jupiter, et proches de leur étoile.
L’une de ces techniques utilise le léger balancement du à l’attraction exercée par la planète : on observe un déplacement latéral sur le fond du ciel ou un déplacement transversal dans la direction de l’observation par l’effet Doppler qui provoque un léger décalage de la lumière émise, rougissement ou bleuissement. Une autre technique, le transit, consiste à mesurer la diminution très faible de l’éclat au passage de la planète devant l’étoile.
Le résultat le plus surprenant a été de découvrir que des planètes géantes orbitent très près de leur étoile, alors qu’elles n’ont pu se former que beaucoup plus loin, mais dans un système comportant plusieurs planètes géantes leurs interactions peuvent aboutir à des déplacements et des déformations de leurs orbites.
Quelques exemples : le système GLIESE 876 comporte deux planètes géantes, l’une à 1\10, l’autre à 2\10 d’unité astronomique de leur étoile, stabilisées par résonance. L’étoile upsilon Andromedae, de la taille du Soleil, à 44 années lumière, possède trois planètes ayant respectivement 1, 2 et 4 fois la masse de Jupiter, et toutes proches de leur étoile, elles ont des orbites instables. L’étoile HD 209458 possède une planète géante proche d’orbite excentrée dont le diamètre varie, car elle s’enfle quand elle passe au plus près de l’étoile. On a également décelé des planètes autour d’une étoile à neutrons, à 2000 années lumière de la Terre, et l’étoile Véga, à 25 années lumière, possède une planète de la taille de Neptune, d’une période de 300 ans
Les techniques progressant très rapidement, on espère détecter bientôt des planètes de la taille de la Terre.
Le Soleil et les étoiles.
Le Soleil est une boule de gaz chaud de 1 400 000 km de diamètre et de densité moyenne 1,4. Sa rotation est de 25 à 31 jours des pôles à l’équateur. Il est composé de 90% d’hydrogène et 10% environ d’hélium, mais on y trouve en quantités beaucoup plus faibles presque tous les éléments, à l’exception des plus fragiles comme le deutérium qui ne résiste pas aux températures élevées qui le transforment en hélium.
Au centre, la température atteint 15 millions de degrés, la pression 340 milliards de bars et la densité 158 kg par litre. C’est là que se produit la fusion de l’hydrogène en hélium, à raison de 500 millions de tonnes par seconde, source de son énergie, émise sous forme de photons X et gamma et de neutrinos. Si ces derniers s’échappent immédiatement, les photons mettent des centaines de millions d’années à parcourir les 500 000 km de la zone radiative constituée de gaz ionisé. Par absorptions et ré-émissions successives, ces photons se multiplient tout en perdant de l’énergie à mesure que la température décroît. Ils atteignent alors une mince zone intermédiaire, la thermocline, à 150 000 km de profondeur, au delà de laquelle se trouve la zone convective opaque où l’énergie se propage par brassage de la matière, et atteint la surface visible, la photosphère, émettrice de lumière visible à 5 500°, qui, de façon surprenante, est la zone la moins chaude, car au delà se trouve la chromosphère , 2 500 km de gaz raréfié à la température de 100 000° , puis la couronne de quelques millions de km de gaz encore plus raréfié dont la température dépasse un million de degrés. Cet échauffement serait du à l’effet des champs magnétiques, comme dans un four à micro-ondes.
A toutes ces températures, la matière est ionisée, c’est à dire que tous les atomes ont perdu une partie de leurs électrons. On a un plasma constitué d’ions positifs et d’électrons, sensibles aux champs magnétiques. Si le champ magnétique moyen du Soleil n’est que de 8 gauss, il peut atteindre localement des valeurs beaucoup plus élevées lors des éruptions qui se produisent continuellement
Les mouvements de convection donnent à la surface du Soleil un aspect granuleux. Selon un cycle de 11 ans, il y apparaît des taches sombres qui sont des zones tourbillonnaires plus froides où la matière s’enfonce en profondeur, et dont la température peut s’abaisser à 2 000°
Le satellite SOHO a montré que le Soleil est le siège de vibrations en surface et en profondeur. Il émet un plasma chaud, le vent solaire, principalement composé de protons et d’électrons, qui passe au voisinage de la Terre à 400 km\ h et se propage jusqu’aux limites du système solaire.
Les neutrinos solaires. La réaction de fusion de l’hydrogène en hélium s’accompagne de la production de neutrinos. Ils traversent le Soleil en quelques secondes, sont émis dans toutes les directions et atteignent la Terre au bout de 8 minutes. La Terre baigne dans un nuage de neutrinos d’origine cosmique, environ 300 par millilitre, et en reçoit du Soleil 5 millions par cm2 et par seconde. Ils interagissent très peu avec la matière et on n’en détecte qu’une dizaine par jour.
Le soleil émet des neutrinos électroniques, mais il existe aussi des neutrinos muoniques et tauiques et les antineutrinos correspondants. Les premières mesures d’un détecteur situé dans une ancienne mine d’or du Dakota, qui ne détectait que les neutrinos électroniques, montraient un déficit important par rapport aux prévisions. Le détecteur Superkamiokande a montré que les trois types de neutrinos se transforment continuellement les uns dans les autres, ce qui explique le déficit des premières mesures. Le détecteur de Sudbury dans l’Ontario détecte sélectivement les neutrinos électroniques d’une part, le total des trois neutrinos d’autre part. Il a montré que le bilan correspond bien aux prévisions. La détection des neutrinos solaires permet donc d’observer en temps réel l’activité au centre du Soleil, source de son énergie.
La vie des étoiles. Le Soleil est une étoile très moyenne âgée de 4,7 milliards d’années et dont la durée de vie est estimée à 10 milliards d’années. Il naît constamment de nouvelles étoiles dans toutes les galaxies par effondrement de nuages de gaz. La concentration de matière provoque un échauffement qui, si la masse est suffisante, atteint au centre une température de quelques millions de degrés et une densité qui permettent d’amorcer la fusion de l’hydrogène en hélium.
La formation d’étoiles nouvelles s’observe plus facilement dans les petites galaxies, moins lumineuses que les grandes. Une petite galaxie elliptique, NGC 5253, proche de la grande galaxie spirale M 83, est le siège de la naissance de nombreuses étoiles naines qui se forment par bouffées. Ces naissances pourraient être déclenchées par l’explosion d’étoiles géantes à courte vie. La collision de galaxies serait également à l’origine de l’apparition de nouvelles étoiles.
Des étoiles moyennes comme le Soleil fonctionnent régulièrement pendant une dizaine de milliards d’années, après quoi, leur cœur ayant épuisé son hydrogène, elles subissent une implosion suivie d’une explosion en géante rouge et synthétisent du carbone pendant quelques centaines de millions d’années, puis leurs restes se concentrent en une naine blanche ayant à peu près les dimensions de la Terre, une densité énorme, une tonne par millilitre, et une activité réduite. On a observé en 2002 une géante rouge devenue brusquement 600 000 fois plus brillante que le Soleil qui aurait absorbé successivement trois planètes géantes.
Les plus petites étoiles consomment leur hydrogène beaucoup plus lentement et ont une durée de vie beaucoup plus longue qui pourrait atteindre une centaine de milliards d’années, mais leur température est plus basse et elles sont peu lumineuses. Les plus grosses au contraire ont une vie plus brève qui ne dépasse pas quelques millions d’années. Ayant épuisé leur hydrogène, elles subissent une série de contractions brutales et d’échauffements dépassant le milliard de degrés qui leur permettent de synthétiser successivement du carbone, de l’azote, de l’oxygène, puis tous les éléments jusqu’au fer, le plus stable. A ce stade, elles subissent une implosion suivie d’une énorme explosion en supernova, extrêmement lumineuses pendant quelques semaines ou quelques mois, pendant lesquels elles synthétisent les éléments plus lourds que le fer jusqu’à l’uranium, et leur cœur se concentre en étoile à neutrons. Si leur masse dépasse une dizaine de masses solaires, elles se transforment en trou noir. Ces supernovae (1b) doivent être distinguées de celles (1a) qui résultent de l’accumulation par une naine blanche de matière arrachée à l’étoile avec laquelle elles forment un système binaire, et qui se termine en explosion nucléaire par fusion de l’hydrogène.
Les plus grosses étoiles sont bleues, les plus petites rougeâtres. Une étoile dont la masse est 10 fois celle du soleil est 5000 fois plus lumineuse mais a une vie 500 fois plus courte.
Les plus anciennes étoiles se sont formées quelques centaines de millions d’années après le Big-Bang quand la seule matière disponible était le mélange originel de 90% d’hydrogène et environ 10% d’hélium avec un peu de deutérium. Ces proportions ont peu varié depuis malgré l’activité des étoiles, et il n’existait alors pratiquement aucun autre élément Dans ces conditions, des étoiles géantes ayant de 300 à 1000 fois la masse du soleil ont pu se former. Leur vie, 2 à 3 millions d’années, était très brève et, contrairement aux géantes actuelles beaucoup plus modestes, elles n’explosaient pas en supernovae mais s’effondraient entièrement en trous noirs géants.
Il y a quelques années, des mesures encore imprécises semblaient donner aux étoiles les plus anciennes de la galaxie, situées dans des amas globulaires, un âge supérieur à celui du Big-Bang. Grâce en particulier au satellite Hipparcos on a montré que leur âge ne dépasse pas 13 milliards d’années, alors que les plus récentes estimations situent le Big-Bang à 13,7 milliards d’années . Dans un environnement comme celui du Soleil, les étoiles sont si distantes qu’une collision est pratiquement impossible. Il n’en va pas de même dans certains amas globulaires très denses renfermant des milliers d’étoiles très proches les unes des autres. Cependant, contrairement au Soleil, beaucoup d’étoiles sont associées en couples. On trouve non seulement des systèmes doubles d’étoiles normales mais des associations comportant des naines blanches, des étoiles à neutrons et des trous noirs, et dans lesquels des échanges de matière peuvent se produire.

Les naines brunes. On a découvert récemment une nouvelle catégorie d’étoiles, les naines brunes. Les étoiles normales lorsqu’elles se forment se condensent jusqu’à ce qu’un équilibre s’établisse avec le dégagement de chaleur des réactions nucléaires, à une température de quelques millions de degrés. Si leur masse n’atteint pas 0,07 fois celle du soleil, la fusion de l’hydrogène en hélium ne peut s’effectuer, mais celle du deutérium en hélium reste possible si la masse dépasse 0,012 masse solaire, soit 12 fois la masse de Jupiter. L’étoile est une naine brune de 70 000 km de rayon avec au centre une température d’environ 100 000 degrés et une densité de 100 à 1000 grammes par millilitre. La luminosité n’est que le millionième de celle du soleil, et sa température de surface est inférieure à 2000 degrés, ce qui rend possible l’existence de molécules d’hydrogène , d’eau, d’oxydes de titane, d’oxyde de carbone, de méthane et d’ammoniac, ainsi que du lithium, qui seraient détruits à la température du Soleil. Des oxydes réfractaires peuvent même être présents à l ‘état solide.
Voici quelques exemples de ces naines brunes récemment découvertes :
GLIESE B à 19 années lumières du Soleil dans la constellation du Lièvre a une température de surface de 600 à700 degrés et une masse d’environ 0,04 masse solaire
TEIDELL et CALAR 3 dans les Pléiades, ainsi qu’un système binaire de deux naines brunes également dans les Pléiades.
KELU 1, une naine brune isolée.
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Les étoiles à neutrons. En fin de vie, les étoiles ayant de 4 à 8 fois environ la masse du Soleil deviennent des étoiles à neutrons ou pulsars. La première a été découverte en 1967, et on en connaît actuellement plus de 1300. Elles se caractérisent par une densité énorme, 1 milliard de tonnes par millilitre dans un diamètre d’une dizaine de km, une rotation rapide en quelques secondes ou fractions de secondes, et l’émission d’une part d’ondes radio pulsées, d’autre part de rayons X et gamma.
La pesanteur étant énorme, elles ont une surface très lisse , une croûte externe solide composée de noyaux d ‘atomes et d’électrons, une croûte interne comportant aussi des neutrons , un noyau externe superfluide de neutrons résultant de la fusion des protons et des électrons et peut être un noyau interne solide de neutrons, de quarks et d’autres particules exotiques.
Certaines possèdent un champ magnétique puissant. Elles émettent des éclairs intenses de rayons gamma qui seraient dus à des séismes et une émission continue de rayons X. L’une située à 170 000 années lumières dans le grand nuage de Magellan, satellite de la Voie Lactée, serait le vestige d’une supernova qui s’est produite il y a 5000 ans. On en a détecté également quelques unes dans la Voie Lactée.
Les trous noirs. Tout objet matériel exerce une attraction proportionnelle à sa masse. Pour échapper verticalement à un astre à partir de sa surface, il faut atteindre une vitesse minimale qui dépend de sa masse et de son rayon. A la surface de la Terre, cette vitesse est de 11 km\ seconde ; sur le Soleil 195 km\ seconde et sur la Lune 3 km\ seconde.
La théorie de la Relativité a établi qu’aucun objet ayant une masse ne peut atteindre la vitesse de la lumière. D’un astre suffisamment massif et de rayon suffisamment petit, rien ne peut donc s’échapper, même la lumière : c’est un trou noir dont la frontière a un rayon qui ne dépend que de sa masse.
Exemples : Un trou noir de 10 masses solaires a un rayon de 1,5 km, et le trou noir Sag A* qui se trouve au centre de la Voie Lactée et qui a une masse de 3,6 millions de masses solaires a un rayon de 500 000 km environ, mais on ne sait rien de l’état de la matière dans un trou noir, ni du volume dans lequel elle est confinée, qui est vraisemblablement très inférieur à celui de sa frontière.

La physique quantique impose des limites inférieures à la masse et au rayon des trous noirs, ce sont les limites de Planck. Les trous noirs auraient aussi une température d’autant plus basse qu’ils sont plus massifs ; les plus massifs auraient une durée de vie très longue, mais un trou noir de seulement 1000 tonnes s’évaporerait en une seconde en une gigantesque explosion.
Les trous noirs ne peuvent rien émettre à l’extérieur et sont donc invisibles, mais ils se manifestent par leur masse. On peut les détecter par l’attraction qu’ils exercent sur les étoiles de leur voisinage et aussi sur les nuages de gaz qu’ils attirent et auxquels ils communiquent des vitesses énormes provoquant l’émission de rayons X et gamma avant de les engloutir.
On observe des trous noirs de masses variées, de ceux résultant de la mort d’étoiles massives aux trous noirs géants au centre des galaxies dont la masse est des millions de fois celle du Soleil ; il en existerait aussi de quelques milliers de masses solaires.
Les trous noirs sont responsables d’un phénomène récemment élucidé : les sursauts gamma. Il s’agit d’émissions brèves et très intenses de rayons gamma, souvent suivies d’émissions X et visibles pendant quelques jours ou quelques mois. Ils accompagnent la formation de trous noirs ou l’accrétion brutale de matière par des trous noirs. On en observe tous les jours pendant quelques secondes, répartis uniformément dans l’espace et provenant des confins de l’univers.

Les galaxies

La voie Lactée, notre galaxie, est un immense disque renflé au centre, d’un diamètre de 150 000 années lumières (al) et une épaisseur de 5000 al. Elle renferme plus de 100 milliards d’étoiles, dont le Soleil à 25 000 al du centre, qui en fait le tour en 200 millions d’années à la vitesse de 280 km par seconde. Elle est entourée d’un halo sphérique encore plus grand où se trouvent des amas globulaires, grosses concentrations d’étoiles.
Comme notre voisine Andromède et comme la plupart des grandes galaxies, c’est une galaxie spirale formée de bras qui entourent le bulbe central. Elle renferme également des nuages de gaz et de poussière. L’objet le plus remarquable qui en occupe le centre est un trou noir géant, Sag A* dont la masse est plus de 3 millions de fois celle du Soleil. Pendant longtemps , on n’a pu observer le centre de la galaxie, masqué par des nuages opaques dans la direction du Sagittaire. Les premières données ont été obtenues avec des télescopes infrarouge et des radiotélescopes. Des résultats récents plus précis ont permis d’établir les orbites d’étoiles gravitant autour du trou noir, et en particulier de l’étoile S2 dont l’orbite très elliptique, parcourue en 15 ans, passe au plus près du trou noir à une vitesse de 5000 km par seconde, à une distance égale à 3 fois celle de Pluton au Soleil. Ce sont les caractéristiques de cette orbite qui ont permis de calculer la masse du trou noir.
Sag A* est entouré d’un nuage de gaz en forme de tore en rotation dont le diamètre estimé par interféromètrie serait de 120 millions de km, et qui est peu à peu aspiré. Il a paru longtemps peu actif, n’émettant que des ondes radio, peu ou pas d’infrarouge, d’ultraviolet, de rayons X ou gamma. Il en est de même du centre d’Andromède, encore plus massif, (30 millions de masses solaires) et plus facilement observable parce qu’il ne nous est pas masqué. Cependant, Sag A* s’est réveillé récemment. Le 3 octobre 2002, on a observé une émission intense de rayons X pendant une heure, et le 9 mai 2003 des éclats infrarouge pendant une demi heure, suivis à mi juin d’une émission analogue avec une période de 17 minutes qui pourrait correspondre à une rotation du trou noir qui émet aussi des rayons gamma d’origine encore inexpliquée. Cette activité est due vraisemblablement à l’aspiration de bouffées de gaz accélérées à grande vitesse. Elle ne provient pas du trou noir lui même dont rien ne peut s’échapper, mais de son environnement proche.
La Voie Lactée est accompagnée d’une douzaine au moins de petites galaxies satellites qu’elle dévore peu à peu. La Naine du Sagittaire se désagrège progressivement ; le Grand Chien, caché par les poussières du disque galactique et récemment découvert est peu à peu absorbé. Parmi les autres satellites, on compte aussi les Nuages de Magellan. Ces deux galaxies satellites décrivent des orbites très elliptiques. Elles sont actuellement dans la position la plus proche à 150 000 AL, selon un cycle de 2,2 milliards d’années et laissent une traînée de matière.
La Voie Lactée, comme toutes les galaxies, est en perpétuelle transformation. Elle absorbe peu à peu ses satellites, mais aussi des nuages de gaz intergalactiques qui l’atteignent à grande vitesse. Elle expulse, puis réabsorbe des gaz, et elle est entourée d’une couronne de gaz ténu et chaud et d’un halo sphérique d’étoiles. La galaxie Andromède, actuellement à 2,5 millions d’al se rapproche et devrait fusionner avec la Voie Lactée dans 3 milliards d’années.
Dans la galaxie, l’espace interstellaire est rempli de gaz raréfié, de température très hétérogène. Ils sont principalement constitués d’hydrogène et d’hélium, les autres éléments ne comptant que pour 1% environ. L’hydrogène se trouve sous forme d’atomes (H) d’ions (H+) et de molécules (H2) . Dans les nuages, la densité est de 10 à 100 atomes par millilitre, la température de 100°K, mais hors des nuages la densité tombe à 1 atome pour 10 millilitres, et la température s’élève de 1000 à 10 000°K. L’hydrogène ionisé est toujours plus chaud, jusqu’à un million de degrés.
Le Soleil se trouve lui même dans une bulle de gaz très chaud provenant de l’explosion d’une vingtaine de supernovae, la plus récente remontant à un peu plus d’un million d’années.
La Voie Lactée renferme également des nuages de poussière qui forment des taches sombres. Ces poussières sont extrêmement fines ; elles sont constituées de silicates recouverts de matières carbonées et de glace. Elles sont très froides, 5°K, et très diluées : un seul grain en moyenne dans un cube de 100m de côté, mais s’étendent sur des espaces immenses. L’espace entre les galaxies est encore beaucoup plus dilué : la densité n’est que le cent millième de celle du milieu intragalactique et ne renferme en moyenne que 10 atomes par mètre cube. Cette matière est assemblée en réseaux de feuillets ou de filaments où les galaxies se situent comme des gouttes d’eau sur une toile d’araignée, mais il existe aussi des étoiles isolées hors des galaxies.
Notre galaxie nous masque un cinquième de l’espace au delà. De nouvelles techniques permettent de l’observer, et on y a découvert de nombreuses galaxies proches ou lointaines, dont Dwingeloo 1 et 2, deux petites galaxies proches. La Voie Lactée fait partie d’un groupe local d’environ 30 galaxies qui se dirigent à 600 km par seconde vers la constellation de l’Hydre. On en a déduit l’existence d’un super amas, le Grand Attracteur, à 200 millions d’années lumières ayant 10 000 fois la masse de la Voie Lactée. A l’opposé se trouve un autre super amas, Persée- Poissons.
Les galaxies tournent autour du centre de gravité de leur amas, et la vitesse de rotation montre que la masse totale est très supérieure à la masse visible. On connaît actuellement environ 10 000 amas dont la masse est constituée de 5% de galaxies, 10 à 30% de gaz ; le reste est de nature inconnue.
Les amas semblent se former par fusion de groupes plus petits jusqu’à absorber toute la matière environnante. Les groupes ont une masse moyenne de 50 000 milliards de masses solaires et une température d’environ 10 millions de degrés, les amas une masse 10 fois supérieure et une température plus élevée encore, car leur formation à partir des groupes dégage de la chaleur. De nouvelles fusions sont limitées par l’expansion de l’univers.
Les galaxies fantômes. On a découvert récemment des galaxies géantes mais peu lumineuses ressemblant aux galaxies spirales mais beaucoup plus grandes. Leurs bras renferment beaucoup de gaz et peu d’étoiles. Elles seraient très nombreuses, mais, plus sombres que le fond du ciel, sont difficilement détectables. La première a été observée en 1990 à moins de 800 millions d’al, la seconde, Malin 2, à 450 millions.
Les loupes gravitationnelles. Une conséquence de la théorie de la Relativité Générale est que les objets massifs déforment l’espace et par conséquent dévient la lumière. Une galaxie ou un amas de galaxies se comportent comme une loupe et concentrent la lumière d’objets plus lointains dont ils donnent une image déformée mais plus lumineuse, des arcs ou des images multiples, comme celles appelées le Trèfle à Quatre Feuilles ou la Croix d’Einstein. L’étude de ces images permet de déterminer les caractéristiques de la lentille, par exemple Abell 370 renfermant une masse de 200 000 milliards de masses solaires contenue dans un volume de 650 AL de diamètre.
L’évolution des galaxies. En 1995, le télescope Hubble pointé vers la Grande Ourse, dans une direction perpendiculaire au plan de la Voie Lactée a observé un grand nombre de galaxies lointaines, donc très âgées, mais que nous voyons telles qu’elles étaient dans un passé lointain, donc jeunes. La plupart sont petites mais très actives et compactes, car il s’y forme beaucoup d’étoiles. Les amas de galaxies jeunes étaient très massifs et les galaxies actuelles se seraient formées par fusion de petites galaxies.
On a longtemps pensé que les galaxies évoluaient de la forme elliptique à la forme spirale. Il semble maintenant que les galaxies, d’abord spirales, puis barrées, plusieurs barres apparaissant et disparaissant successivement, évoluent vers la forme elliptique par homogénéisation des vitesses de leurs constituants. L’évolution est favorisée par fusion de galaxies, après des étapes où des antennes apparaissent momentanément.
Les amas globulaires. Ils se situent dans le halo des galaxies. Ils renferment des millions d’étoiles très proches les unes des autres et ayant toutes le même age et la même composition. Ceux de la Voie Lactée ont l’age de la galaxie, soit 12 milliards d’années, mais dans des galaxies très actives résultant de fusions récentes on trouve des amas jeunes, massifs et très denses, plus riches en éléments lourds, n’ayant que quelques millions ou dizaines de millions d’années.
Les Quasars. Ce sont des objets beaucoup plus petits et beaucoup plus brillants que des galaxies, bien qu’ils se situent entre 1 et 12 milliards d’années lumières. Le premier a été découvert en 1962 à 2 milliards d’al. Il émettent toutes les longueurs d’onde, des ondes radio aux rayons gamma. Cette émission est très irrégulière. On en connaît maintenant des milliers ; la plupart se seraient formés quand l’univers avait 3 milliards d’années. Ils sont constitués d’un nuage de gaz raréfié de quelques centaines d’al, d’un nuage gazeux plus compact d’environ 1 al et d’un noyau actif beaucoup plus petit ayant environ la taille du Système Solaire.
Ce sont en fait d’énormes trois noirs au centre de galaxies jeunes, très actifs parce qu’ils disposent d’une grande quantité de matière à engloutir. Cette matière se répartit selon un disque en rotation autour du centre. Comme lors de la formation des étoiles, on observe aussi des jets cylindriques partant du centre et perpendiculaires au disque. Leur vitesse est de plusieurs dizaines de milliers de km par seconde et ils s’étendent sur près d’une année lumière. Ils sont souvent formés d’une série de nœuds et seraient dus aux champs magnétiques des gaz ionisés en rotation et provoqueraient un freinage du disque favorisant la chute de matière vers le centre.
Il existe aussi des micro quasars. On en a détecté dans la Voie Lactée. Ils sont beaucoup plus petits que les vrais quasars, mais fonctionnent par un mécanisme analogue quand un trou noir résultant de l’implosion d’une étoile massive appartenant à un système binaire engloutit progressivement l’autre composant du système. En raison de sa taille beaucoup plus réduite, il provoque des effets de marée et des accélérations beaucoup plus intenses et émet principalement des rayon X. On y observe aussi des jets perpendiculaires au disque d’accrétion . Un exemple : GRS 1915 + 105, détecté par le satellite GRANAT muni d’un télescope à rayons X, puis par le dispositif VLA au Nouveau Mexique dans le domaine radio. Il est distant d’environ 40 000 al. L’émission est moins régulière que celle des quasars du fait de l’alimentation discontinue de la source, et leur évolution est plus rapide.

cobe rioLe rayonnement fossile vu par COBE à gauche et

 

 

 

 

 

wmap riopar WMAP , bien plus précis.

 

 

 

 

 

trefle rio 3Le trèfle à quatre feuilles, quatre images

 

 

 

 

 

 

amas rio 4Un amas globulaire à la périphérie
d’une même galaxie par l’effet d’une de la Voie Lactée.
lentille gravitationnelle.

 

 

 

 

nebuleuse rio 5La nébuleuse Œil du Chat, à 3000 années lumières, agonie d’une étoile moyenne qui éjecte des nuages de gaz.

 

 

 

 

carene rio 5Eta de la Carène, une étoile géante en fin de vie qui explosera un jour en supernova.

 

 

barree rio 6NGC 4535, une galaxie barrée.

 

 

 

 

supernova 1987 aLa supernova 1987 A vue en 1994

.

 

 

 

 

Deep Field, les plus lointaines galaxies à plus de 12 milliards d’années lumières.

deep field rio 8

Les matériaux de l’univers.

Les éléments. A l’origine, dans les instants qui ont suivi le Big-Bang, les seuls éléments qui ont pu se former en proportions notables à partir de l’hydrogène (1 proton ) sont le deutérium (1 proton, 1 neutron ), l’hélium (2 protons, 2 neutrons) et une très faible proportion de lithium (3 protons, 3 ou 4 neutrons). Tous les autres ont pour origine l’activité des étoiles qui, à la fin de leur existence, ayant transformé l’hydrogène disponible en hélium, produisent successivement du carbone, et, pour les plus massives, de l’azote, de l’oxygène, du silicium et tous les autres éléments jusqu’au fer. Les éléments plus lourds que le fer, jusqu’à l’uranium, se forment quand une étoile géante explose en supernova : absorbant des neutrons dont une partie se transforme en protons, les noyaux d’atomes présents sont transformés en éléments plus lourds.
Malgré l’activité des étoiles, l’hydrogène et l’hélium sont restés en proportions presque inchangées depuis l’origine. Le deutérium au contraire est complètement transformé en hélium par les étoiles, même avant que ne débute la nucléosynthèse à partir de l’hydrogène. Les éléments légers, lithium, glucinium et bore, peu abondants, respectivement troisième, quatrième et cinquième éléments ne se forment pas dans les étoiles, car ils ne supportent pas les températures supérieures à quelque millions de degrés. Ils sont produits par une réaction appelée spallation : des éléments plus lourds comme le carbone, bombardés par des protons du rayonnement cosmique, perdent une partie de leurs nucléons. Il peut aussi s’en former dans les supernovae.
Les molécules. Aucune molécule ne peut résister aux températures des étoiles, à l’exception des naines brunes beaucoup moins chaudes, mais dans l’espace et sur les corps froids les atomes s’unissent en molécules. Les plus oxydables se combinent à l’oxygène pour donner de l’eau, du monoxyde et du dioxyde de carbone, de la silice, ce qui fait que l’oxygène ne se trouve presque jamais à l’état libre, sauf dans l’atmosphère terrestre où il provient de l’assimilation chlorophyllienne.
On a décelé d’autres molécules volatiles dans les nuages de gaz, l’environnement des étoiles et l’atmosphère des planètes : ammoniac, méthane, formaldéhyde, alcools méthylique et éthylique, acide cyanhydrique, oxysulfure de carbone, acétone, formamide, au total une centaine de molécules et d’autres non volatiles, détectées au moyen des ondes millimétriques, dans les nuages de poussière et les météorites : de nombreux hydrocarbure polyacétyléniques et aromatiques. Il existe des météorites métalliques principalement constituées de fer, des météorites carbonées et des météorites pierreuses formées de silicates.
Les vieilles étoiles en fin de vie, au delà du stade de géante rouge, éjectent des nuages de produits carbonés également constitués de longues chaînes polyacétyléniques ou d’hydrocarbures polybenzéniques ayant pour origine l’action des ultraviolets sur les vents stellaires.

L’univers, un grand laboratoire de physique.

Tous les grands domaine de la physique sont concernés par les évènements observables dans l’univers. La physique classique avec les lois de Newton permet de comprendre et de calculer le mouvement de tous les objets, depuis les plus petits comme les météorites en passant par les planètes et les satellites, et les grands ensembles, galaxies et amas, ainsi que les satellites artificiels et les sondes qui explorent le système solaire.
La théorie de la Relativité, et le rôle fondamental qu’y joue la vitesse de la lumière, indépendante du mouvement de la source et de l’observateur, limite infranchissable pour les objets pesants, est aussi celle de tous les rayonnements électromagnétiques, des ondes radio aux rayons gamma. La Relativité Générale considère que les masses sont une forme d’énergie, qu’elles déforment l’espace, dévient la lumière, et elle donne une autre interprétation de la gravité.
Enfin, la physique quantique intervient partout : dans l’émission et l’absorption des rayonnements sous forme de photons, les caractéristiques et les propriétés de particules élémentaires, des atomes et des molécules, la nucléosynthèse dans les étoiles, les pulsars, les quasars, mais elle atteint actuellement ses limites à l’intérieur des trous noirs et avec la matière noire dont la nature est encore inconnue. On attend aussi des progrès dans sa relation avec la Relativité, la détection des ondes gravitationnelles et l’hypothétique graviton, ce que la théorie des cordes essaie d’unifier.
L’antimatière. L’univers est fait de matière, essentiellement de protons, de neutrons et d’électrons, mais il existe aussi de l’antimatière composée d’antiprotons, d’anti- neutrons et d’antiélectrons ou positons, qu’on sait produire dans les accélérateurs de particules, mais qui s’annihilent au contact de la matière en libérant une grande quantité d’énergie sous forme de photons gamma. Il peut s’en produire aussi dans l’espace quand l’explosion d’une étoile crée des champs magnétiques intenses qui accélèrent des protons à grande vitesse. En s’entrechoquant, ils peuvent créer des antiparticules.
Dans le rayonnement cosmique on a détecté des positons, et aussi des antiprotons plus rares, car leur création exige une grande énergie, celle de protons accélérés à plus de 99% de la vitesse de la lumière : 1 antiproton pour 10 000 protons. Ces détections ont été effectuées dans la haute atmosphère au moyen de ballons à haute altitude ou par des satellites. Par ailleurs, on observe des émissions de rayons gamma correspondant à l’annihilation électron-positon provenant du trou noir au centre de la Voie Lactée, mais on n’a détecté nulle part dans l’univers d’autres antiparticules ni d’antiatomes, bien qu’on en aie produit artificiellement en laboratoire. Leur présence se manifesterait par des émissions gamma intenses spécifiques qu’on n’observe pas.
Matière et antimatière auraient du se former en quantités égales à l’origine, et l’absence d’antimatière ne s’expliquerait que par la légère dissymétrie des effets de l’interaction faible, l’une des quatre interactions fondamentales avec la gravité, l’interaction électromagnétique et l’interaction forte, cette dernière assurant la cohésion des noyaux des atomes. Cette dissymétrie aurait donné un léger avantage à la matière, dont un milliardième aurait subsisté, le reste disparaissant avec l’antimatière sous forme de photons. On retrouve effectivement ce même rapport entre le nombre des particules matérielles et celui des photons .
Le rayonnement fossile. Détecté pour la première fois par Penzias et Wilson en 1965, il s’agit d’un rayonnement d’ondes millimétriques très homogène provenant de toutes les directions de l’espace. Il proviendrait du moment où, bien avant la formation des premières étoiles, le gaz primordial homogène et chaud, donc ionisé et opaque, s’est refroidi suffisamment pour devenir neutre et transparent. A l’origine, ce rayonnement était constitué de lumière visible et d’infrarouge, mais l’expansion de l’univers a entraîné un refroidissement à une température très basse et un allongement des longueurs d’onde à un rayonnement millimétrique. Une cartographie d’ensemble par le satellite COBE en 1992 a montré qu’il existait une très légère hétérogénéité qui correspondrait à l’amorce de la formation des galaxies. En 2003, la sonde WMAP a donné des résultats beaucoup plus précis : l’amplitude des fluctuations est très faible, de l’ordre de 1\100 000, le rayonnement d’origine correspond à une température moyenne de 3000°K, ramenée actuellement à 2,73°K. (0°K = -273°C).
Le ciel en infrarouge. Une majorité d’étoiles, dont la température de surface est inférieure à 4000°K, rayonne surtout de l’infrarouge, et leur émission visible est souvent masquée par des poussières. Les satellites IRAS et ISO ont cartographié le ciel en infrarouge. Le satellite européen ISO lancé en 1995 a fonctionné pendant 29 mois sur une orbite très elliptique. Son télescope de 60 cm fonctionnant sur des longueurs d’onde comprises entre 2,5 et 240 µm, il a montré que les nuages entourant les étoiles jeunes sont constituées de silicates, et il a également détecté des hydrocarbures aromatiques. Il existe aussi des galaxies, découvertes par IRAS, qui émettent surtout de l’infrarouge parce que les gaz et les poussières absorbent la lumière visible.
Les rayonnements X.Les satellites à rayons X ROSAT allemand, EINSTEIN de la NASA et EXOSAT européen ont détecté des sources de rayons X mous de 12,4 à 0,5 nm, (soit de 100 à 2500eV) dans le grand nuage de Magellan. Ce sont des naines blanches associées à des géantes rouges , et qui en attirent les gaz. Température et pression y sont suffisantes pour déclencher la fusion de l’hydrogène en hélium, source de l’émission X.
On a observé aussi un fond X diffus paraissant continu et homogène. Le satellite XMM Newton a montré que la majorité est due à des sources ponctuelles, trous noirs géants au centre des galaxies, qui accélèrent les gaz environnants.
Les rayons cosmiques. Il s’agit en fait de particules, essentiellement des protons. Certains atteignent des vitesses telles qu’ils concentrent une énergie énorme dépassant 1020eV, soit autant qu’une balle de fusil dans une seule particule. Le détecteur Pierre Augé, au nord de la Patagonie, constitué de 440 tubes photomultiplicateurs, a été terminé en 2004. Il couvre 3000 km2. Il a détecté un premier signal dans la nuit du 30 mai 2001. Un autre détecteur est prévu dans l’Utah. On devrait observer quelques évènements par km2 et par siècle. Ces protons très rapides provoquent des gerbes de particules en pénétrant dans l’atmosphère. Ils peuvent avoir pour origine le Soleil ou la galaxie pour des énergies ne dépassant pas 1015eV. Les plus rapides proviendraient de pulsars, de supernovae ou de trous noirs géants. Au delà d’une énergie de 5.1019eV, on ignore leur origine, mais les plus énergétiques, réagissant avec le rayonnement fossile, (400 photons par ml) ont un trajet limité à 150.106 années lumière pour une énergie de 1020eV. La source ne peut donc se trouver au delà de l’amas local. Les électrons du vent solaire, accélérés par le champ magnétique local, peuvent aussi atteindre des vitesses très élevées, à 80% de la vitesse de la lumière.
Matière noire et particules exotiques. Le mouvement des étoiles dans les galaxies et celui des galaxies dans les amas ne peut s’expliquer que par la présence de matière pesante de nature inconnue à côté de la matière ordinaire. Appelée matière noire, elle pourrait être constituée de WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles) prévues par la théorie de la supersymétrie qui attribue par exemple à chaque particule connue de spin 1\2 une particule complémentaire de spin 1. Au photon et au Z0 de l’interaction faible correspondrait le neutralino beaucoup plus massif que le proton, électriquement neutre, et interagissant très peu avec la matière ordinaire.
Différents détecteurs ont été installés : EDELWEISS en France, CDMR aux Etats-Unis, (Cryogenic Dark Matter Research), DAMA (Dark Matter Experiment) sino-italien. Aucun résultat n’a encore été obtenu.

Histoire de l’univers.

Il est maintenant généralement admis que l’univers est né d’une explosion appelée Big-Bang où toute l’énergie qui le constitue était concentrée dans un volume très petit sous forme de rayonnement à une température excessivement élevée. L’expansion s’est accompagnée d’un refroidissement progressif. Au cours de la première seconde, des évènements essentiels se sont produits : le rayonnement se matérialise en quarks et en leptons, les quarks s’associent en protons et en neutrons et dans les premières minutes qui suivent une première nucléosynthèse se produit, donnant du deutérium, de l’hélium, et en très faible proportions les éléments légers suivants dont le lithium.
Très vite, la température s’est abaissée, la nucléosynthèse s’arrête et les proportions des éléments ne varient plus. Malgré l’activité des étoiles, qui intervient beaucoup plus tard, ce rapport ne semble pas avoir beaucoup évolué. Il est actuellement de 90% d’hydrogène, 10% d’hélium comptés en nombre d’atomes. Le deutérium, beaucoup moins stable que l’hélium, n’a pu augmenter depuis. Le rapport du deutérium à l’hydrogène est actuellement de 1\10 000 dans l’eau de mer. On sait qu’il est détruit dans les étoiles et on a cherché à déterminer son taux à l’origine grâce au spectre de gaz très anciens éclairés par des quasars. C’est ainsi qu’on a trouvé un rapport de 2,5\100 000.
La vitesse d’expansion de l’univers est exprimée par la constante de Hubble. Sa valeur est liée à l’age de l’univers. Les résultats les plus récents, obtenus par le satellite WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) et ceux d’Hipparcos donnent une valeur de 72 km par seconde et par mégaparsec (1parsec = 3,26 AL), et un age de l’univers de 13,7 milliards d’années. Ils situent l’apparition du rayonnement fossile 380 000 ans après le Big-Bang, lorsque l’univers encore très homogène s’est refroidi vers 3000° et est devenu transparent. Le refroidissement se poursuivant, l’univers est passé par une phase sombre jusqu’à la formation des premières étoiles qu’on estime à quelques centaines de millions d’années après le Big-Bang. Ces étoiles ont constitué une nouvelle source de lumière et en particulier d’ultraviolet qui ont pour effet d’ioniser les gaz. On a pu déterminer la température du rayonnement fossile dans un passé lointain par l’examen des gaz éclairés par un quasar il y a 12 milliards d’années. On a trouvé une température de 9,5°K, alors qu’elle est actuellement de 2,7°K.
L’expansion de l’univers ne semble pas avoir été régulière. Pour expliquer l’homogénéité du rayonnement fossile, on admet qu’il se serait produit dans l’instant qui a suivi le Big-Bang une nouvelle explosion qu’on appelle inflation et qui aurait considérablement augmenté les dimensions de l’espace en un temps très bref. Par la suite, l’expansion aurait eu tendance à ralentir, mais des résultats récents semblent indiquer que depuis 4 milliards d’années il se produirait une accélération.

L’état actuel de l’univers et son évolution.

Les galaxies et les amas semblent se regrouper à la surface de bulles et de filaments, laissant de grands espaces vides dans une structure d’éponge ou de mousse. L’univers n’apparaît homogène qu’à très grande échelle. A l’échelle de 10 millions d’années lumière, la structure apparaît fractale. Jusqu’à 1 milliard, elle est statistique, granuleuse et hétérogène au delà, et enfin homogène à partir de 10 milliards d’années lumières.
Une question plus fondamentale s’est posée : quel est son devenir ? Tout dépend de sa masse totale et de sa densité. Si elles étaient suffisamment élevées, l’expansion serait limitée par la gravité et serait suivie d’une contraction, le Big-Crunch. Si au contraire elles étaient insuffisantes, l’expansion se poursuivrait indéfiniment, tout en s’accompagnant localement de contraction dans les amas. Dans le premier cas, on dit que l’univers serait sphérique, hyperbolique dans le second. Il semble actuellement qu’il soit en fait à la limite entre ces deux possibilités : l’univers serait plan.
La masse estimée sous forme de matière ordinaire, lumineuse ou non, est très insuffisante, mais on sait, par l’examen des mouvements dans les galaxies et les amas qu’il doit exister une matière de nature encore inconnue, interagissant très peu avec la matière ordinaire sauf par sa masse, c’est la matière noire. Elle semble se concentrer dans les galaxies et les amas.
L’estimation du rapport entre la densité réelle, matière ordinaire et matière noire, et la densité critique d’un univers plat, a une valeur  = 0,3, dans laquelle la matière ordinaire ne représente que 4,7 % et la matière noire 24,3 % , soit au total 29 %. Il a donc fallu admettre que l’univers renferme de plus une énergie dite énergie du vide ou quintessence, uniformément répartie, qui serait responsable de l’accélération actuelle par son pouvoir répulsif. Sa part dans l’énergie totale serait 0.71 soit 71%, et son existence serait en relation avec la théorie des cordes.
Tous ces résultats sont très récents, nombreux mais encore insuffisants pour tirer des conclusions définitives. De nouvelles données pourraient tout remettre en question, d’autant qu’on fait appel à des théories physiques nouvelles et encore incertaines. Il faut donc s’attendre dans les prochaines années , grâce à des moyens techniques de plus en plus puissants, à une foule de résultats qui risquent d’apporter des surprises.
Une autre question fondamentale se pose : que s’est-il passé avant le Big-Bang ? Pour les uns, la question n’a pas de sens. Le Big-Bang serait l’origine du temps et de l’espace. Pour d’autres, la question mérite d’être prise en compte : une notion fondamentale de la physique est la constance de l’énergie, qui peut se transformer mais ne peut ni se créer ni se détruire. De nouvelles connaissances pourraient elles mettre cette constance en défaut ? Le Big-Bang et notre univers qui en résulte n’est-il qu’une péripétie locale dans un ensemble beaucoup plus vaste et plus ancien ? Pour le moment, nous n’avons aucune réponse.

ANNEXES

1. Le spectre électromagnétique.

Le spectre électromagnétique est continu ; les limites des différents rayonnements sont arbitraires et correspondent seulement à des techniques de détection différentes. Tous ces rayonnements se propagent à la vitesse de la lumière (C = 300 000 km par seconde).
Les longueurs d’onde.

Ondes radio ou hertziennes. : de quelques km à 1 mm.

Infrarouge : de 1 mm à 0,7 µm.

Lumière visible : de 0,7 à 0,4 µm.

Ultraviolet  proche : de 0,4 à 0,2 µm.
lointain : de 0,2 µm à 1 nm.

Rayons X mous : de 1 à 0,02 nm.
Durs : de 0,02 à 0,006 nm.

Rayons gamma : moins de 0,006 nm.
2. Les unités.

Longueur.
Unité du système international  (SI) le mètre.
L’unité astronomique : distance de la Terre au Soleil : 150 millions de km.
L’année lumière (AL): 9,46 . 1012 km.
Le parsec : 3,26 AL , distance à laquelle on voit 1 unité astronomique sous un angle de 1 seconde.

Energie.
Unité du système international : le joule.
Unité pratique : le kilowatt . heure = 3,6 millions de joules.
L’électron-volt (eV) = 1,6.10-19 joule. Unité utilisée pour exprimer la masse ou l’énergie des particules élémentaires et leurs interactions.
Exemples : l’électron : 0,511 MeV.
Le proton : 938 MeV.
Le neutron : 940 MeV.
3. Les trous noirs

Les différentes grandeurs qui interviennent dans les caractéristiques des trous noirs :
L’attraction universelle : f = GMm\d2.
f: force d’attraction.
G : constante de l’attraction universelle = 6,662.10-11.
M : masse de l’objet attirant.
M : masse de l’objet attiré.
D : distance des centres des deux objets.
Vitesse de libération : v2 = 2 GM\r. vitesse minimale pour échapper à un astre depuis sa surface.
v : vitesse de libération ;
M : masse de l’astre.
r : rayon de l’astre.
Rayons du trou noir : r1 = 2 GM\C2 ; r2 = GM\r2 ;
r1 : rayon au delà duquel la lumière peut s’échapper à l’infini.
r2 : rayon en deçà duquel la lumière ne peut dépasser r1.
C : vitesse de la lumière.
M : masse du trou noir.
Température du trou noir. T = K\M, d’après Stephen Hawking.
T : température absolue en °K
K = 2.1026.
Densité moyenne du trou noir dans un volume de rayon r2 :
d = C6 \ pi M2G3

Toutes les grandeurs sont exprimées en unités SI : mètre ; kilogramme ; seconde.

Enquête sur le BIG-BANG

ENQUETE SUR LE BIG-BANG.

riobravopar M André RIO

D’où venons nous ?

Que sommes nous ?

Ou allons nous ?

L’Univers a-t-il un commencement?

A ces questions on n’a pu répondre que par des mythes ou des hypothèses hasardeuses, jusqu’à une époque récente où des faits concrets ont enfin permis des approches de plus en plus précises. Considérée longtemps comme le centre du monde, entouré d’un décors vaporeux, la voûte céleste, la Terre est apparue progressivement comme un astre infime dans l’immensité des galaxies, dont l’âge ne se compte plus en milliers mais en milliards d’années et les dimensions en milliards d’années-lumière.
L’univers est-il immuable ou cyclique ;a-t-il été créé ;a-t-il une histoire ? L’astrophysique moderne peut apporter maintenant des réponses au moins partielles à ces questions, et celle que l’astronome Fred Hoyle avait appelée par dérision le Big-Bang semble actuellement la plus satisfaisante .On peut la présenter à la manière d’une enquête policière avec ses acteurs, les lois en vigueur, ses enquêteurs, les témoignages et les indices qu’ils ont pu recueillir.

Les acteurs.

L’univers renferme à la fois de la matière et du rayonnement .Malgré son extrême diversité, la matière tout entière est formée seulement d’une centaine d’atomes qui s’associent en molécules ou en cristaux selon une infinité de combinaisons les électrons, les protons et les neutrons ils n’interagissent presque pas avec la matière ordinaire et leur rôle est très effacé.
Tous les rayonnements :ondes radio ;infrarouge ;lumière visible ;ultraviolet rayons X et gamma, sont de même nature et ne diffèrent que par leur longueur d’onde .Matière et rayonnement interagissent constamment.

Les lois.

A la mécanique de Newton, l’attraction universelle, sont venues s’ajouter la Relativité et la physique quantique .La Relativité, qui concerne le temps, l’espace et l’énergie, nous apprend que, contrairement à celle des objets matériels, la vitesse de la lumière est indépendante de celles de la source et de l’observateur que la masse est une forme d’énergie (E = mC2) et que toute masse déforme l’espace dans son voisinage.
En physique quantique, électrons, protons, neutrons, se comportent tantôt comme des ondes, tantôt comme des particules .Il en résulte une indétermination sur leur position et leur vitesse .Les rayonnements se comportent aussi comme des particules quand ils interagissent avec la matière Les échanges d’énergie entre la matière et les rayonnements ne peuvent se faire que par quantités discontinues, les quanta .Les électrons retenus autour des noyaux des atomes ne peuvent occuper que des niveaux particuliers ;le saut de l’un à l’autre s’accompagne de l’émission ou de l’absorption de rayonnement.

La monnaie des interactions est l’énergie, qui ne peut être créée ni détruite et peut prendre de nombreuses formes différentes :énergie mécanique, électrique, chimique, chaleur, rayonnement…L’énergie totale d’un système isolé est donc constante .C’est le cas de l’univers tout entier si rien d’autre n’existe au delà.

Les méthodes d’investigation.

L’astronomie ne se limite plus à l’observation et aux images obtenues en lumière visible. Tous les rayonnements sont observés .Les ondes radio comme la lumière parviennent à la surface de la Terre et peuvent être détectés par les radiotélescopes, mais les autres rayonnements sont absorbés par l’atmosphère, et leurs détecteurs doivent être embarqués sur des satellites .L’infrarouge, l’ultraviolet, les rayons X et gamma ont considérablement enrichi les connaissances en apportant une foule de renseignements sur les évènements souvent cataclysmiques qui se produisent, ou plus exactement se sont produits dans l’univers :les rayonnements qui nous parviennent depuis leur source ont voyagé dans l’espace à la vitesse de la lumière sur des distances qui peuvent atteindre des milliards d’années-lumière .Les évènements que nous observons peuvent donc s’être produits il y a des milliards d’années.
Aux images obtenues par ces différents rayonnements s’ajoutent les données des méthodes spectroscopiques qui, analysant la répartition des différentes longueurs d’onde, apportent des informations sur la composition chimique des étoiles, des galaxies, des nuages de gaz et de poussières et des réactions qui s’y produisent.

Premier indice :L’expansion de l’univers.

Si tous les rayonnements se déplacent à la vitesse de la lumière, quelle que soit la vitesse de la source par rapport à l’observateur, la longueur d’onde observée est modifiée par cette vitesse relative :elle augmente quand la source s’éloigne(elle rougit);elle diminue quand la source se rapproche(elle bleuit).Etudiant le rayonnement des galaxies lointaines, Hubble constata en 1929 que la plupart s’éloignent les unes des autres, d’autant plus vite qu’elles sont plus lointaines. Contrairement à ce qu’on avait pensé jusque là, de Newton à Einstein, l’univers n’est pas stable .Tous les corps s’attirent mutuellement, mais s’ils ont reçu une impulsion suffisante au départ, ils s’éloignent indéfiniment .Dans le cas contraire, la période d’expansion doit être suivie d’une retombée.
A partir des données actuelles, on a calculé que l’expansion de l’univers a commencé il y a environ 15 milliards d’années .A ce moment il devait donc être beaucoup plus petit, très dense et très chaud. Le rythme actuel de l’expansion serait de 17 km par seconde et par année-lumière .Ces résultats ont ruiné l’hypothèse de Fred Hoyle qui supposait un univers de densité constante.

Deuxième indice :Le rayonnement fossile.

Gamow avait prévu dès 1948 que, si l’univers avait été très chaud au départ, il avait dû être opaque .En effet, à haute température, les noyaux des atomes ne peuvent retenir leurs électrons, et ceux-ci absorbent la lumière .Au dessous de 3000°,cet effet cesse, et la lumière peut s’échapper .L’univers s’étant dilaté et refroidi depuis, on devait retrouver ce rayonnement sous forme d’ondes radio à une température de l’ordre de 3°K(-270°C).
Ce rayonnement a été détecté en 1965 par Penzias et Wilson et beaucoup étudié depuis, en particulier grâce au satellite COBE qui a cartographié le ciel en ondes millimétriques correspondant à cette zone de températures Le rayonnement fossile présente aussi une légère dissymétrie due au déplacement de la Terre avec le système solaire par rapport à l’ensemble de l’univers, à la vitesse de 600 km par seconde.

Troisième indice :La stabilité des noyaux d’atomes.

L’univers est principalement constitué d’hydrogène(90%)et d’hélium .L’atome d’hydrogène est formé seulement d’un proton et d’un électron ;l’hélium de deux protons, deux neutrons et deux électrons .Grâce aux accélérateurs de particules, on a montré que les noyaux d’atomes peuvent être dissociés .A une température d’un milliard de degrés, la transformation de l’hydrogène en hélium est réversible .C’est ce qui se produit dans les étoiles et dans les bombes à hydrogène .On en a déduit que l’hélium actuellement présent s’était formé aux dépends de l’hydrogène pendant le temps très cours(quelques minutes aprés l’origine),où l’univers se trouvait à cette température .Pendant ces quelques minutes il a pu se former aussi du deutérium(hydrogène lourd comportant un proton et un neutron)et un peu de lithium, troisième élément de la classification de Mendeleïev .Les autres éléments n’ont pu apparaître que beaucoup plus tard par les réactions nucléaires dans les étoiles .Il s’y forme constamment de l’hélium, mais en quantité beaucoup plus faible qu’au cours de la synthèse primordiale .Les étoiles massives produisent aussi successivement du carbone, de l’oxygène et tous les autres élément jusqu’au fer .Les éléments plus lourds comme le plomb et l’uranium ne peuvent apparaître qu’au moment de l’explosion des étoiles massives, les supernovae .Les planètes solides comme la Terre sont constituées de ces sous-produits.

Quatrième indice :La stabilité des particules.

Les accélérateurs de particules, qui permettent de leur faire subir des chocs très violents, ont montré que les particules élémentaires elles mêmes, constituants fondamentaux de la matière, peuvent être détruites à des températures de l’ordre de 10 milliards de degrés .Cette température aurait été atteinte une seconde aprés l’explosion initiale .Elle aurait été précédée d’un instant où les quarks, constituants des protons et des neutrons, étaient encore à l’état libre ainsi que les électrons.
Ces quatre indices nous amènent donc progressivement de plus en plus près du Big-Bang.

Et avant?

Les théories actuelles supposent qu’il s’est passé bien des évènements au cours de la première seconde, en particulier une période dite d’inflation, excessivement brève et brutale, comme une seconde explosion .Pendant cette première seconde la température était si élevée qu’aucune particule ne pouvait subsister .L’énergie se trouvait exclusivement sous forme de rayonnement. Selon certaines estimations, au bout de 10-12seconde l’univers avait un diamètre égal à la distance de la Terre au Soleil(150 millions de km)et au bout de 10-34seconde, c’est à dire encore avant, la taille d’un pamplemousse.
Les investigations s’arrêtent quand les théories actuelles ne sont plus adaptées à ces conditions extrêmes .De plus la Relativité et la physique quantique sont difficilement compatibles et ne sont pas encore unifiées malgré les efforts des théoriciens Il existe en particulier des limites :temps de Planck(10-43 seconde)et température de Planck(1032°K) au delà desquelles on ne sait rien, pas plus que ce qui se passe à l’intérieur d’un trou noir ou ce qui aurait pu se passer avant le Big-Bang, si la question a seulement un sens.

Conclusions de l’enquête.

A la question “d’où venons nous ?”l’astrophysique apporte des réponses nécessairement incomplètes, mais que de progrès depuis Aristote et Newton !Ces réponses sont d’autant plus spéculatives qu’on remonte plus loin .Dans les conditions extrêmes de température, de densité, d’énergie, de durées extrêmement courtes on ne peut bâtir et vérifier des théories que dans la mesure où on peut les réaliser expérimentalement ou tout au moins les observer :l’univers est le laboratoire de l’astrophysique .Au delà, s’il est toujours possible de faire des hypothèses, il ne faut pas perdre de vue leur fragilité .Trouvera-t-on un jour une théorie ultime qui explique tout ?Rien n’est moins sûr et il faut se garder de vouloir tout expliquer tout de suite .Il est plus sage de s’estimer heureux d’avoir appris tant de choses en si peu d’années .La vie et son origine, qui pouvaient il y a un siècle paraître encore plus incompréhensibles ne posent plus aujourd’hui de questions aussi fondamentales .Si le problème n’est pas encore entièrement résolu, il est bien circonscrit .On sait assez bien maintenant comment la vie a pu apparaître et se développer.
Quant à l’avenir, il est imprévisible .On ne peut faire que des supputations statistiques qu’un accident toujours possible pourrait remettre en cause .L’évolution nous apprend que toutes les espèces vivantes, y compris la nôtre, subissent des mutations et finissent par disparaître. L’astrophysique prévoit que le système solaire subira un cataclysme dans cinq milliards d’années, mais on n’a pas encore tranché l’avenir de l’univers entier :expansion indéfinie ou contraction ultérieure .Toutes ces réponses valent ce que valent nos connaissances actuelles.

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