Notre place dans l`univers hiérarchisé : les puissances de 10 A

STRUCTURE DE L’UNIVERS
CHAPITRE 1 : Notre place dans l’univers hiérarchisé : les puissances de 10
A. HIERARCHIE :
I.
II.
III.
IV.
V.
VI.
Premier niveau : le noyau atomique (voir dia)
Second niveau : l’atome (voir dia)
Troisième niveau : l’échelle humaine (voir dia)
Quatrième niveau : la terre (voir dia)
Cinquième niveau : le système Terre / Lune (on peut considérer le système
comme une planète double) (voir dia)
Sixième niveau : le système solaire. (voir dia)
Le système solaire est formé de 8 planètes (et non 9).
Il s étend sur 50 x la distance Terre/Lune (= 50 unités astronomiques)
Les 4 planètes les plus proches du soleil, Mercure, Venus, Terre & Mars sont appelées
planètes telluriques.
Entre celles-ci et les quatre autres s’étend la première ceinture d’astéroïdes, ensuite viennent
les planètes géantes : Jupiter, Saturne, Uranus & Neptune.
•
VII
VII
IX
X
Un cas particulier : Pluton. Pluton a souvent été considéré comme la neuvième
planète du système solaire mais elle ne serait que le plus gros objet de la ceinture
d’astéroïdes : la ceinture de KUIPER. Les objets de cette ceinture sont dits
transneptuniens. Fait troublant, Pluton possède deux satellites : Charon et
2001KX76. Au delà de la ceinture de Kuiper s’étend le nuage de OORT d’où
proviennent les comètes.
Septième niveau : les étoiles proches Alpha 1,2 et Proxima du centaure (voir
dia)
Huitième niveau : la galaxie : la voie lactée (voir dia)
Neuvième niveau : les grandes structures : amas local (voir dia)
Dixième niveau : les super amas : dernière structure hiérarchisée.
Les super amas sont disposés comme des filaments entre lesquels s’étendent des bulles
de vide. L’univers visible (qui peut être observable) fait 1,5 milliards d'années lumière.
Certains émettent l’hypothèse que l’univers s’étend sur 60 milliards d’ a-l ou même
infini.
(Voir résumé dia)
B. Notre place dans l’univers hiérarchisé (petit historique)
-350 ARISTOTE : la terre est le centre de l’univers (voir dia) Selon lui l’univers est
composé de 4 éléments : eau, feu, air, terre. Le plus dense serait au centre et moins c’est
1
dense plus c’est extérieur. Pour lui les étoiles sont des points lumineux fixés sur des points
fixes.
1543 COPERNIC : la terre n’est plus le centre du cortège planétaire
1780 HERSCHEL : le soleil est le centre de l’univers, on réeffectue la même erreur
Qu’Aristote
1917 SHAPLEY : le soleil n’est pas le centre de l’univers (modèle de galaxie)
EINSTEIN : l’univers est homogène et isotrope (principe de cosmologie) Ex un
Corps qui gonfle sous l’effet de la chaleur
1922 FRIEDMANN : l’univers est en expansion
1925 HUBBLE : il réalise que la nébuleuse d’Andromède est une galaxie comme la
Nôtre située à plusieurs millions d’a-l et contient des milliards d’étoiles.
1929
: il découvre la fuite des galaxies et conforte la théorie d’Einstein
1930 ZWICKY : première observation de la matière noire d’où l’hypothèse : baignons
Nous dans une matière non lumineuse ou s’agit-il de la « nonuniversalité » de la gravitation newtonienne ?
2001 HIGH Z –supernova projet - ENSEMBLE DE CHERCHEURS :
L’univers est en expansion accélérée et pourrait ne pas être uni connexe
( ?) (Continu) La principale composante de l’univers est l’énergie du
vide.
2003 LUMINET : l’espace-temps qui forme la trame de l’univers pourrait ne pas être
Uni connexe (continu) Si l’univers n’est pas uni connexe, la lumière
peut prendre différents chemins avant d’atteindre la terre (effet du
palais des glaces)
Conséquence : la même galaxie pourrait être vue plusieurs fois à des
époques différentes.
2020 « DARWIN » découvre la vie ailleurs dans l’univers voir par exemple les traces d’O3
Caractéristiques de la vie prosynthétique. Le projet Darwin consiste à
trouver des traces de vie dans l’univers comment découvrir O2 et O3
signatures du vivant dans une planète d’un autre système solaire.
CHAPITRE 2 Les apparences sont trompeuses
Mouvement nocturne des étoiles
Si on regarde le ciel et les étoiles se déplacent, sauf l’étoile polaire qui est fixe car c’est le
point de percée de la rotation de la terre.
Les constellations
Mosaïque d’étoiles. Les plus brillantes ont des noms grecs. Alpha pour les plus brillantes puis
Bêta etc.…
Les constellations sont situées à des distances différentes que l’on ne peut plus percevoir.
Une constellation diffère d’un amas en ce que la constellation est une mosaïque d’étoiles qui
ne se situent pas à la même distance.
Ex pléiade.
2
STU : 8 /02
CHAPITRE 2 Les apparences sont trompeuses (suite)
La hauteur du soleil au pôle n’excède pas 23 °. On peut donc considérer que pour un
observateur situé au pôle, le soleil tourne autour de la terre avec une inclinaison de 23 °
(Vision géocentrique).
En réalité, la rotation terrestre a une inclinaison de 23 ° par rapport au plan de l’équateur.
Quelqu’un situé à l’équateur peut observer un soleil à 45 °.
Vocabulaire
Déclinaise : hauteur au-dessus de l’équateur
Complémentaire : hauteur de l’équateur
Amplitude des saisons.
L’énergie solaire comprise dans un cylindre est plus intense si le cylindre est à 90 °au moins
le cylindre est à 90 ° au plus l’énergie contenue dans le cylindre est diffuse.
En conséquence l’intensité perçue au cours de la journée varie.
De plus à cause de l’inclinaison terrestre, l’intensité lumineuse varie encore plus. (VIDIA)
Les Babyloniens.
Les Babyloniens avaient déjà remarqué qu’il y avait 7 astres errants.
Mercure et Vénus : planètes seulement visibles au crépuscule. Ce sont les planètes
intérieures.
Mars, Jupiter, Saturne, Lune : ce sont les planètes externes.
Les babyloniens pensaient aussi qu’il y avait des marées planétaires à l’instar des marées
maritimes celles-ci influençaient la vie humaine. Ceci a donné lieu à la naissance de
l’astrologie (qui n’est pas une science).
L’astrologie a permis de déterminer les positions des planètes quel que soit le jour de
l’observation. Ce qui conduit à des prédictions pour l’avenir :
- période synodique : nombre de jours pour une révolution
- période sidérale : révolution par rapport à la terre retour au même endroit d’une
constellation du zodiaque
Ex ; Jupiter/Terre
La terre tourne plus vite que Jupiter autour du Soleil pour que Jupiter soit en opposition avec
le Soleil, la Terre fait un tour complet plus un petit bout, la position de Jupiter est donc
différente par rapport aux étoiles.
STU : 8 /02
Constellation du zodiaque.
3
Constellation incluse dans la sphère céleste comprise entre 2 petits cercles parallèles à
l’elliptique dans laquelle se situe le mouvement apparent du soleil.
Les Babyloniens ne connaissaient pas les périodes orbitales car celles-ci sont difficiles à
observer. Ils pensaient que la terre était le centre de l’univers.
A chaque planète, on peut observer une période zodiacale où elle passe plus de temps.
Les grecs.
Les grecs ont hérité de l’approche empirique des Babyloniens mais leurs vues étaient plus
théoriques.
Théorie d’Aristote.
Aristote pensait que la terre était ronde. Il en veut pour preuve, l’ombre de la terre sur la Lune
Lors d’une éclipse et le fait que le mat d’un bateau est visible avant la quille.
Il pensait que l’univers était constitué de 4 éléments : l’air, l’eau, la terre et le feu.
Chacun d’entre aux possède un mouvement naturel qui l’entraîne vers son lieu naturel.
Enfin, il estimait que les astres tournaient de manière sphérique (mouvement parfait) autour
de la Terre.
Tous les physiciens entre Aristote et Ptolémée (- 350 à + 100/170) ont envisagé de reproduire
le mouvement sphérique des astres et ils y sont arrivés. C’est le modèle héliocentrique.
Pour cela Ptolémée imagina que les planètes effectueraient un mouvement rétrograde (V.
DIA) autour de la Terre.
Ce mouvement correspond au mouvement de la révolution terrestre.
Copernic, Galilée.
Il existe de curieuses coïncidences dans le modèle géocentrique.
Ex : Mars, Jupiter, Venus ont les même épicycles (petit cercle décrit par un astre pendant que
celui-ci effectue un autre.).
Copernic émit alors l’hypothèse selon laquelle ces coïncidences sont expliquées par le fait que
la Terre tourne autour du Soleil. Cependant il faudra attendre 1838 pour confirmer le modèle
Copernicien. Néanmoins, le modèle Copernicien fut moins précis que celui de Ptolémée qui
permit d’identifier les nombreux cycles ;
NB : jusqu’à Newton on ne connaissait pas la gravité.
STU : 16/02
4
Les arguments du modèle héliocentrique.
C’est surtout à partir de Galilée et pendant 3 siècles que l’on s’est attaché à démonter la
validité du modèle héliocentrique.
Premier argument :
les satellites liens
Galilée fut le premier a utiliser la longue-vue pour ses observations cela lui permis de réaliser
des découvertes révolutionnaires pour l’époque. Il découvrit par exemple qu’il existait quatre
corps proches de Jupiter et tournant autour de cette dernière. La Terre n’est donc pas le
centre de tout mouvement.
Deuxième argument :
les tâches solaires
Les observations de Galilée indiquent que le Soleil n’a pas une surface parfaitement lisse,
contrairement à la doctrine d’Aristote.
Troisième argument :
les cratères lunaires
Comme pour le Soleil, la Lune n’a pas une surface lisse elle est remplie de bosses et de trous.
Le monde terrestre et le monde céleste se ressemblent car ils sont identiquement
accidentés et corrompus. Il n’y a pas de séparation entre eux.
Quatrième argument :
les phases de Vénus.
Vénus nous montre presque toujours la même face. Elle n’a donc pas de mouvement de
révolution ce qui est contraire au modèle géocentrique. De plus, on peut observer que le
diamètre apparent de Vénus varie fort. Ceci constitue une preuve en faveur du modèle
héliocentrique mais ce n’est pas une preuve définitive car on peut aussi imaginer que Vénus
tourne autour du Soleil mais pas la Terre.
Ces arguments tentent à prouver la véracité du modèle héliocentrique mais ne le prouve
pas directement. Ceci à cause de fait qu’on ne connaît pas le modèle de positionnement de la
Terre.
La preuve définitive de la justesse héliocentriste fut apportée par BESSEL en 1838 via l’effet
paralytique qui mesure la distance des étoiles par une triangulation Terre/Soleil/étoiles.
Dt-s = tg θ (voir dia)
∆
L’angle θ est très petit au maximum 0,7 il faut dès lors une très grande précision ce que
n’avait pas Aristote.
Les calculs de distance montrent que les étoiles sont fort éloignées, elles doivent donc être
fort lumineuses comme le Soleil.
STU 16/02
5
CHAPITRE 3 Le monde des étoiles: Evolution, formation et matière interstellaire
Le soleil une étoile banale
Le diagramme de HERTZSPRUNG- RUSSEL est un diagramme qui classe les étoiles en
fonction de leur puissance lumineuse en y et leur température en x.
On peut y distinguer 2 branches :
-
la branche principale soit les étoiles dont la taille est comprise entre la taille du soleil
et 25 X celle-ci
la seconde branche : les étoiles supérieures à 25 X la taille du soleil
Via ce diagramme on peut s’apercevoir que le soleil est tout à fait moyen.
NB : pour calculer la luminosité émise on a pris comme référence la luminosité solaire
(3,9 .1026 w) comme unité (symbole L). La température n’a pas de limite inférieure ou
supérieure dans le diagramme.
Quelques propriétés du soleil.
-
Sa masse
La masse solaire peut être calculée via l’équation de KEPLER
A³
P²
= GMs + Mt
4 Π²
La masse solaire vaut 2 10 30 kilos.
-
Sa température
Pour mesurer la température on doit considérer la lumière comme une onde
électromagnétique. Celle-ci se caractériser par une longueur d’onde visible ou non. (le visible
va de 400 nm à 700 nm) Pour définir l’intensité lumineuse d’un corps (pour le Soleil un gaz)
on utilise un prisme car tout corps émet sa lumière propre due à l’oscillation (agitation
thermique ou absorption d’un photon) des électrons qu’il contient.
On obtient donc le spectre lumineux d’un corps via cette expérience. Les longueurs d’onde
varient en fonction de la température. Le Soleil a un spectre lumineux dans la couleur verte.
Sa température est de 5000 K à la surface
NB : le Soleil apparaît jaune à cause de l’atmosphère.
(corps noir voir dia)
-
Propriétés physiques.
1.
La photosphère : c’est la surface du Soleil. C’est de cette région
que peuvent s’échapper les photons sans être réabsorbés elle
6
correspond à une diminution de densité. Si on observe de façon
d détaillée la surface solaire on peut distinguer une surface de grain
de riz. Ceci est du au phénomène de convection permanent. La
matière chaude remonte et la matière froide descend.
2.
La chromosphère : fin liseré rouge visible pendant les éclipsés
celle-ci est constituée de gaz chaud ou d’intermédiaire entre la
photosphère et la couronne.
On peut aussi observer des tâches noires. Celles-ci sont dues à des
contrastes de température. Ces taches sont plus froides à cause du
champ de force magnétique dû au champ magnétique solaire. Ces
champs de force forment des cercles magnétiques N--S qui
entraînent des particules avec elles et donc un refroidissement. Ce
genre de phénomène est cyclique.
3.
Couche
Phénomène actif
Température
Grandeur
La couronne : couronne de gaz très chaude (16 millions de K) mais
très ténue, seulement visible durant les éclipses totales. La couronne
est le siège du vent solaire et des éruptions solaires. Ces dernières
peuvent aller jusqu’à 500.000 km et peuvent être constantes ou
périodiques mais alors plus violentes. La masse éjectée est appelée
éjection de masse coronale. La couronne étant la dernière couche
solaire, elle s’étend à l’infini. Lorsque les jets de matière provenant
de la couronne sont dirigés vers la terre, la matière éjectée entre en
contact avec les ceintures du champ magnétique terrestre, les
ceintures de VAN ALLEN . Celles-ci sont constituées de protons
et d’électrons. Le vent solaire et les éruptions provoquent une
surcharge de particules dans les ceintures qui gravissent jusqu’à
atteindre l’atmosphère terrestre à proximité ce qui provoque des
perturbations magnétiques et des aurores boréales (visible jusqu’à
Bordeaux). Si les ceintures n’existaient pas aucune vie ne serait
possible.
Photosphère
Boucle magnétique,
émission de lumière
X et UV, taches
associées aux
protubérances
5800 K
100 1ers Km
Chromosphère
Boucle magnétique,
émission de lumière
X et UV
Couronne
Vent solaire, éruption
solaire constante ou
périodique
10.000 K
De 100 à 1.000 km
1 million de K a 0
De 1000 Km à ~
Les sources d’énergie du soleil et leur durée de vie.
Plusieurs hypothèses ont été émises pour répondre à la question « quelle est la source
d’énergie du soleil ? ».
7
On sait que : la luminosité solaire = 3.9 10 26 J/s (C = W) et que sa masse = 2.1030 kg
On peut donc déduire le contenu énergétique (L/M) = 2.104 J/sKg
Combien de temps peut-il maintenir une telle énergie ?
1ère hypothèse : par la chimie : si le Soleil était composé de charbon dont le rendement vaut
KJ / Kg, il se serait consumé en 5000 ans ce qui est donc impossible.
2 ème hypothèse : par la gravitation : suite à une lente contraction sous son propre poids,
l’énergie potentielle gravitationnelle se convertit en énergie thermique. Via ce processus, le
Soleil vivrait 300 millions d’années, hors la géologie nous apprend que la Terre a au
minimum 700 millions d’années (âge des roches sédimentaires)
STU : 23/2
3ème hypothèse : l’énergie nucléaire ( E = mc²)
La découverte de cette équation a permis de déduire que le Soleil pourrait briller 15.000
milliards d’années. Mais seulement une petite masse est transformée en énergie car on sait
que le Soleil est principalement constitué d’hydrogène qui via transformation nucléaire se
convertit en hélium. Hors seulement 10 % de l’hydrogène est transformé en hélium. Soit une
énergie de 6,17 1014 J/Kg. La vie du Soleil est donc de 10 109 années ce qui est possible.
Mécanisme de la transformation de l’hydrogène en hélium.
On sait que la masse du noyau d’hydrogène = 1,6 726 1027 Kg
et qu’une unité atomique = 1/12 masse atome C 12 = UMA = 1,66054 1022 Kg
donc la masse du noyau 1 H= 1,0007 UMA = 1 MP
donc la masse du noyau He + 4 ?001UMA= 3,9726 MP
La transformation de 4 H en 4 He s’accompagne d’un défaut de masse de (4 - 3,9726) =
0,0274 MP qui est transformée en énergie.
Pour la combustion de 1 H, la libération d’énergie est de E =mc² . C². 0,0274 = 6.17 1014 J
4 ( 4 H)
Seulement ce cycle ne peut se faire qu’en présence de catalyseurs où une température élevée
de Kelvin. Pour atteindre une telle température, de 1.10 6 de Kelvin il faut une énorme
pression au centre pour qu’il y règne une température suffisante pour déclenché la réaction de
transformation de l’hydrogène en hélium. Ce qui libère une quantité énorme d’énergie sous
forme de chaleur et donc une température élevée.
Si la production d’énergie(via la réaction) viendrait à diminuer, ceci aurait pour conséquence
une baisse de la température, donc de la pression et le Soleil s’effondrerai sur lui-même. Mais
si le soleil s’effondre sur lui-même, la pression augmente et donc la température aussi, la
réaction peut recommencer. Il y a donc autorégulation.
La définition du Soleil serait donc réacteur de fusion thermonucléaire autorégulé par la
gravitation.
8
Les atomes ou noyaux de carbone,Azote, Oxygène peuvent servir de catalyseur à la réaction
de fusion de l’hydrogène en hélium. Mais pour cela il faut des températures très élevées
seulement possible dans le centre, centre du soleil. C’est pourquoi la réaction de fusion avec
carbone, azote, oxygène, ne produit que 10% de la production d’hélium.
Les cycles postérieurs au cycle Hydrogène/Hélium.
Lorsque tout l’Hydrogène est épuisé et transformé en Hélium, la température diminue donc la
pression diminue donc le cœur s’effondre sous son propre poids et la température augmente.
Si celle-ci atteint plus de 100 106 K avant que le cœur ne soit complètement effondré alors la
combustion de l’hélium peut commencer.
Si cette température n’est pas atteinte l’étoile explose sous l’effet des répulsion
coulombiennes.
La combustion de l’Hélium produira du Béryllium 8 instable mais qui existe suffisamment
longtemps pour produire du Carbone 12. Un nouvel équilibre s’est donc installé.
Lorsque le Carbone est épuisé le même processus qu’avec le premier cycle se reproduira mis
à part que la température à atteindre est de plus de 600 106 K ;
Le Carbonne 12 donnera du 23 NA + 1 H et du 20 N + 4 H
Notre Soleil par exemple ne pourra atteindre que le troisième cycle avant d’exploser. Car
c’est une étoile de troisième génération. D’autres étoiles évoluent beaucoup plus loin dans les
cycles car beaucoup plus grosse. Le cycle ultime étant le sixième cycle 32 Sc  56 Fe
Le fer ayant la masse par nucléon la plus faible. (v dia).
La théorie de la nucléosynthèse stellaire.
Cette théorie explique l’ origine et les abondances relatives des éléments de l’univers.
Pour cela on établit une courbe +/_ universelle d’abondance des éléments chimiques et de
leurs isotopes dans le système solaire. D’après cette courbe, on remarque que :
1. Les éléments les plus abondants sont ceux fabriqués par les cycles de combustion
successifs
2. Les éléments plus lourds que le fer ne fusionnent pas mais fissionnent
3. Certains éléments sont peu représentés car ils parassent très peu stable en raison de
leur rayon cosmique. (Be, B)
4. De manière générale, les éléments ayant un nombre d’électrons pairs sont plus satbles
que les éléments impairs.
Petite synthèse des différentes étapes de la vie d’une étoile : le soleil.
1ère étape : L’hydrogène se transforme en hélium pendant +/_ 10 .109 ans. A la fin de la
combustion, le cœur de l’étoile se contracte et parallèlement l’enveloppe s’étend et gonfle.
Ainsi, les gaz de surface se refroidissent et la lumière émise est rouge. Sa taille vaut la
distance Soleil/Mercure. C’est une géante rouge.
2ème étape : Le flash de l’Hélium : l’hélium commence à être consommé dans le cœur, il
ne reste plus que du carbone et de l’oxygène . Le cœur s’effondre et parallèlement
l’enveloppe s’étant et se gonfle encore. La taille de l’étoile vaux la distance Soleil/mars.
L’étoile est devenue une géante asymptotique. Cependant son enveloppe est tellement
instable que l’étoile explose. C’est une nébuleuse planétaire.
9
3ème étape : Après l’explosion il ne reste plus au centre qu’un cadavre stellaire composé de
carbone et d’oxigène à des températures trop faibles pour déclencher leur combustion
c’est une naine blanche. Cet objet stellaire est très dense : 1 tonne par cm 3 . Les atomes
sont empilés les uns sur les autres et les orbitales électroniques sont rompues, les électrons
dérivent librement dans la matière. Le rayon d’une naine blanche vaut 10. 000 km ( +/_
le rayon terrestre). Petit à petit la naine blanche va refroidir car elle conduit bien
l’électricité et la chaleur. A terme elle deviendra une naine noire.
Les étoiles de 25 X la masse du soleil.
La vie de ces étoiles commence comme celles du soleil à part que c’est 6 couches
d’Hydrogène qui seront consumées. Ces 6 couches valent la grosseur du soleil. Les étapes
sont les mêmes que celles du soleil mais durent moins longtemps car elles brûlent 60 X
plus vites les combustions vont au-delà de celles observées pour le soleil jusqu’à la
combustion du silicium en fer ( étape ultime) Au fur et à mesure qu’elles se déroulent, ces
étapes vont de plus en plus vite, la combustion du silicium se fait en un jour. Comme le
fer n’est pas fusionnelle, il y a explosion du centre de l’étoile par effondrement de son
cœur qui se transforme en étoile à neutron. (Empilement de neutrons les uns sur les autres)
Cependant l’effondrement de l’étoile sur elle-même se fait à des vitesses différentes : alors
que le cœur s’est déjà transformé en étoile à neutrons, la matière proche du cœur tombe
encore et ensuite rebondit sur l’étoile à neutrons alors que la matière périphérique
s’effondre seulement ce qui entraîne une explosion, c’est une supernova.
Si la masse est encore plus dense, que celle de l’étoile à neutrons, au centre de l’étoile, un
trou noir se forme .
Dans le voisinage terrestre les supernovae sont rares. L’une des candidates à la supernova
dans notre hémisphère est l’étoile d’étacarinae. Cette étoile a déjà éjecté 2 lobes de
matière il y a 150 ans à la vitesse de 700 Km /s.
NB Tous les produits de combustions sont donc expulsés à la fin de la vie d’une étoile
( nucléosynthèse) et peuvent donc servir de base aux nouvelles étoiles. L’univers opéré un
recyclage des éléments.
Les Pulsars.
Certaines étoiles à neutron émettent des pulsations radio et lumineuses. La période de
pulsation vaut 33, 2 à 1 milliseconde. Ces objets ne peuvent être plus grands que 300 Km.
Si 2 phénomènes se déroulent à l’antipode l’un de l’autre on observe ces phénomènes
avec un décalage dans le temps égal à celui de la vitesse de la lumière.. Donc si le rayon
d’un pulsar vent plus de 150 Km cela voudra dire que sa vitesse de rotation vaut 1/8 de la
vitesse de la lumière. Ce qui est impossible. Si la période de rotation d’un pulsar est de 1
milliseconde, sa vitesse de rotation vaut 1/8 de la vitesse de la lumière.
Les pulsations radio et lumineuses sont dues à l’axe magnétique des ces étoiles à neutron.
Cet axe émet des ondes radio et lumineuses dans le plan d’un cône. Si la Terre passe dans
ce cône, les pulsations sont visibles. Généralement ces pulsations s’arrêtent après 10.107
années car celles-ci induisent une perte d’énergie due à l’émission de lumière. Ceci
implique un ralentissement de la vitesse de rotation. et une diminution de l’intensité du
champ magnétique.
Les trous noirs.
10
Si la masse d’une étoile super géante est telle que la densité lors de l’effondrement du
cœur est supérieure à celle du neutron, la compression du se poursuite au-delà de la
matière nucléaire. Les neutrons sont brisés et transformés en soupe de quarks. Le rayon
d’un tel objet est donc inférieur à celui d’une étoile à neutron de même masse. La densité
est énorme et supérieure à celle du neutron. Rien n’arrête la densité d’un tel objet et la
lumière elle-même ne peut s’en échapper. Cela signifie que pour sortir d’un trou noir, il
faudrait une vitesse de libération supérieure à celle de la lumière.
Les trous noirs sont détectés via le rayonnement X généré par la matière spiralant autour
du trou noir.
Il existe aussi des trous noirs super massifs au centre des galaxies. Leur formation est
encore très peu connue mais est différente de celles des trous noirs stellaires. Ces trous
noirs ne sont visibles que par les perturbations qu’ils provoquent :
- rayonnement radio-intense
- orbites stellaires très rapides observées autour du centre galactique
- sursauts de lumière causés par les gaz qui y tombent et qui s’échauffent
Remarque : les séquences de masse.
Une masse plus élevée induit plus de lumière donc plus de fusion de l’Hydrogène.
Donc, une étoile massive vit moins longtemps qu’une étoile = au Soleil car elle
consume son Hydrogène 60 X plus vite, sa vie est ainsi plus courte.
STU :9/03
La formation des étoiles.
I.
La matière interstellaire.
Il y a 2 grandes classes :
- les gaz
- les poussières
Les gaz.
Il y a trois groupes régions principales :
-
les nuages moléculaires
les régions d’hydrogène ionisé ( H1), visible seulement à ?
les régions d’hydrogène neutre (H2).
Les régions les plus sombres de la voie lactée correspondent à la présence de nuage de
poussières ou de gaz. Ceux-ci sont relativement massifs et d’une grande taille. Cependant
leur densité est faible. Les régions rougeâtres sont des régions d’hydrogène ionisé ne sont
visibles qu’en utilisant des filtres de différente longueur. La vision du ciel peut donc être
11
différente en fonction des longueurs d’onde que l’on filtre. Les nuages d’hydrogène neutre
sont nombreux dans notre galaxie, cependant ils ne sont visibles qu’à une certaine
longueur d’onde ou via les ondes radio qu’ils émettent.
L’exemple des 2 nuages de Magellan nous montre que ces nuages dépassent les limites
des galaxies, ils constituent de véritables ponts de matière entre les 2 nuages. Ces nuages
tracent les bras et la structure des galaxies.
Néanmoins leur densité est plus grande que les nuages de H1.
Remarque.
Certains trous dans la galaxie correspondent à des nuages de poussière/gaz et où seule une
poussière préférentielle passe.
Ceci est comparable au phénomène qui fait que le Soleil est bleu. Le Soleil nous envoie
toutes sortes de rayonnement. Ceux-ci rentrent en interaction avec la matière de
l’atmosphère. Le passage dans l’atmosphère se fait d’autant plus facilement que la
longueur d’onde correspond au bleu.
Le bleu est la couleur dominante.
Les nuages moléculaires.
Ils sont détectables par le fait que :
-
ils rougissent les étoiles proches
aux ondes radio que les molécules émettent
Ces nuages sont parfois composés de molécules organiques. Cependant on n’y a pas
encore détecté d’acides aminés. Néanmoins on a trouvé des acides aminés dans des
météorites venant de ces nuages.
Relation entre nuage moléculaire et formation des étoiles. ( p 288)
L’amas d’étoiles jaune ( ou bleu) a nettoyé son environnement via la présence des
radiations que ces étoiles émettent.
Si la dissipation du nuage se faisait lentement il y a formation de planète. ( voir dia).
Sur cette dia on peut distinguer des matières en direction de l’amas d’étoiles. Cette
colonne est composée d’un globule qui protège le nuage contre l’érosion des radiations.
Ce globule est une étoile en formation.
La formation de nouvelles étoiles commence par la fragmentation et la compression d’un
nuage de gaz poussière sous l’effet d’onde de choc associée aux supernovae, ce genre de
globule se trouve toujours au sommet de colonnes faisant plusieurs centaines de masses
solaires. La formation d’étoiles se fait toujours en périphérie des nuages moléculaires.
Celui-ci sera petit à petit consumé via l’explosion des étoiles de première génération. Et
ainsi de suite.
Autre manière de fabriquer les étoiles.
I.
Le choc intergalactique : Lors d’une collision entre 2 galaxies, les nuages
moléculaires sont compressés. Il y a donc formation d’étoile.
12
II.
Les bras spiraux : Pour expliquer cette sorte de formation d’étoile, il faut
comprendre le phénomène d’onde de densité. On peut comparer les bandes de
densité à la vitesse moyenne de bandes de voitures sur l’autoroute. Lorsqu’une
voiture change de bande, elle doit adapter sa vitesse à celle de l’autre bande.
Elle doit donc freiner ou accélérer. Lorsqu’un nuage passe d’une bande de
densité à une autre des compressions se produisent et il y a donc formation
d’étoile.
La nébuleuse d’ORION , nuage formateur d’étoiles.
Si l’on observe le centre de la nébuleuse via des photos, l’une à la lumière visible et
l’autre visible et infrarouge, on peut distinguer des corps plus froids ( 1000 k). Ce sont
des étoiles en train de naître, les photos-étoiles. A celles-ci on peut associer de la
matière attirée par la gravitation de ces dernières. Seulement toute cette matière ne
peut être intégrée. Il y a donc rejet et onde de choc. Ces jets de matière sont appelés jet
d’ABO GARO .
Les planètes, sous-produit naturel de la formation des étoiles
Dans certains cas, il reste un reliquat de matière après la formation des étoiles, ce sont
les disques protoplanétaires.
Ils sont comparables aux jets d’Abo Garo mais moins énergétiques. Ce genre d’objet
a +/_ 109 années et c’est de ceux-ci que peuvent naître les planètes.
.
STU 22/03
Chapitre 4 Formation et structure des planètes
La formation des planètes.
La formation des planètes est une véritable course contre la montre car il faut que les planètes
se soient formées avant la disparition du nuage protoplanétaire.
Celles-ci se forment grâce à la différence de température qu’il y a entre le centre et la
périphérie du nuage. En effet, plus on s’éloigne du centre plus la température diminue.
Les planètes géantes
Celles-ci se forment à partie de 5 UA du centre. A cette distance, la température est de 160 K.
Des nouveaux de condensation d’eau et de neige (glace) se forment et grandissent rapidement.
Lorsque ces noyaux sont suffisamment gros, ils attirent les gaz par gravitation. La planète
géante se forme rapidement. La taille de la planète géante dépend de l’écart avec le centre,
plus elle est éloignée, plus elle est petite.
NB : un transfert de moment angulaire de la planète vers le disque peut conduire à la
migration de la planète vers l’étoile.
Les planètes telluriques.
Ces planètes se forment plus près du centre du soleil à partir de poussières et de petits
cailloux, les nuages de condensation sont donc moins gros, ils ne peuvent attirer du gaz par
13
gravitation, ces planètes ne peuvent se former qu’à partir de cailloux, elles ne deviennent pas
des super masses et n’ont pas d’enveloppe gazeuse.
Conclusion : les planètes ne sont q’un sous-produit de la formation des étoiles.
Type d’objet dans notre système solaire et leur constitution.
Il y a trois principaux types d’objets « planétaires » dans notre système solaire :
I.
Les planètes telluriques : celles-ci sont un cœur constitué de métaux denses. Ce
cœur de métaux est entouré d’une enveloppe de roche silicatée. Ces planètes sont
caractérisées par une densité élevée. Masse volumique moyenne : 3,30 5,5 g/cm3
II.
Les planètes géantes joviennes : celles-ci sont constituées d’un cœur de roche et
de métaux. Ces deux ensembles sont recouverts d’une couche de glace et ensuite
d’une couche d’éléments légers hydrogène ou hélium. Ces planètes se caractérisent
par une faible densité. Masse volumique moyenne ~ 0,7 à 1,8 g/cm3
III.
Les objets galiléens : ce sont des corps satélites des planètes géantes. Ces objets
sont intermédiaires entre les deux autres : cœur de roche et métaux recouverts
d’une couche de glace, densité moyenne. Sur ce satellite on peut constater des
rides causées par un impact météoritique et la glace fraîche, blanche exposée suite
à un autre impact.
Les atmosphères des divers objets
Nom
Venus
Pression
90 bars
Terre
1,013 bar
Mars
0,002 bar
Titan
1,5 bar
Composition de l’atmosphère
CO2 96 % en masse , N2 3,5 % , H2 SO2
trace 0,5 %
N2 78,17 % en masse
CO2 9,6 % en masse
O2 21 %
Al 0,93 %
CO2 0,037 %
CO2 95 %
N2 3 % en masse
O2 trace
H2O, CO2 nuages
90 % azote 10% CH4
Remarque :
I.
II.
La faible pression qui existe sur Mars explique pourquoi son atmosphère à presque
disparu.
L’énorme pression de l’atmosphère de Vénus est due à une très forte densité de
gaz.
14
III.
Dans certains cas, l’atmosphère d’une planète est due à un dégagement gazeux et
non à l’attirance de certains gaz lors de sa formation : ex Titan dont l’atmosphère
est due à des geysers.
Température d’une atmosphère planétaire.
Pour comprendre la température d’une atmosphère planétaire il faut prendre l’exemple
suivant :
Soit une étoile de luminosité L située à une distance en UA d’une planète. Cette luminosité se
répartit sur une sphère d’aire 4 Π R².
La planète en réfléchit une fraction A(= albédo).
Donc, la luminosité absorbée par unité de surface de l’atmosphère de la planète faisant face à
l’étoile est de L (1-A) / 4 Π D².
Toutes les parties de l’atmosphère de la planète ne font pas directement face à l’étoile,
l’ensemble de la surface planétaire intercepte la même quantité de lumière qu’un disque d’aire
Π r² la luminosité totale absorbée par la planète vaut
Π r² L (1-A)/4 Π ∆²
Dans la situation stationnaire où la température de l’atmosphère est constante, il y a équilibre
entre la quantité d’énergie absorbée et celle réémise dans l’espace sous forme de radiation
d’un corps noir, soit la température à laquelle cet équilibre est réalisé. Par unité de surface, un
corps noir émet une puissance lumineuse σ Teq 4 . Puisque toute la surface 4 ∏ R² et l’étoile
contribue à rayonner l’énergie vers l’espace, la luminosité totale de la planète vaut donc 4 Π
r² σ Teq4
En égalant l’énergie absorbée et celle réémise on obtient Tr²L(1-A) 4Π ∆² = 4 Πr²σTeq4
⇒ Teq ( 1-A)L ) 1/4
( 16 T∆²σ )
Ex : pour la terre TEQ = 280((1-0,35) 1/4) = - 22 C
1
La raison de cette discordance est due au fait qu’on néglige l’effet de serre.
L’effet de serre.
La terre ne reçoit les rayonnements solaire qu’elle absorbe et remet sous forme d’infrarouge
( = chaleur).Cette chaleur ne peut ressortir de l’atmosphère à cause de certains gaz notamment
le CO2 ⇒ augmentation de la température. Au plus il y a de gaz à effet de serre au plus la
chaleur émise reste bloquée. L’effet de serre est donc nécessaire au développement de la vie
mais pas trop.
Rétention d’une atmosphère.
( voir dia )
Effet de marée.
Définition : conséquence de l’attraction différentielle exercée par un corps céleste ( lune ou
soleil) sur les différentes parties d’un autre objet (terre).
15
Explication : sous l’attraction lunaire, toutes les parties de la terre ne subissent pas la même
attraction. (voir dia)
Le boulets A : celui-ci tombe avance sur la terre par rapport au centre de la terre ⇒ bosse A.
Le bourles B : à l’inverse celui-ci tombe en retard par rapport au centre de la terre car il est
situé plus loin ⇒ bosse B.
L’élévation des eaux est due à un effet différent entre marée océanique et marée continentale (
voir dia pour le calcul) Il existe aussi des marées solaires mais celles-ci ont des effets plus
faibles dus à une plus grande distance.
Néanmoins, l’alignement soleil/lune occasionne des marées plus fortes que la normale.
Effets des marées
-
le ralentissement de la rotation terrestre :
-
En réalité, les bourles ne sont pas dans l’axe de la lune car l’eau met un certain temps à
réagir à l’attraction, ce retard entraîne une force contre la rotation terrestre qui ralentit
C’est ce qui s’est déjà passé avec la lune car les marées causées par la terre y sont plus
efficaces ⇒ la lune présente toujours la même face. A terme, la rotation terrestre sera
égale à la lunaison ⇒ la lune occupera toujours le même point dans le ciel terrestre.
l’éloignement de la lune : ceci est du à la conservation du moment angulaire su
système terre/lune ( rotation + orbite). :
o h rotation terre + h orbite lune + h rotation lune = constante
o Si h rotation terre diminue ⇒ l’orbite lune augmente ⇒ éloignement .
Pour comprendre au peut se référer à la seconde loi de Kepler qui est une expression
du moment angulaire orbital. ( voir dia)
-
-
précision des équinoxes : les forces de marée constituent un couple de forces qui
agissent sur la terre en rotation et qui tendent à ramener le plan de l’équateur au plan
de l’écliptique. Cependant la terre tourne, donc l’effet de forces fait tourner la terre
autour du pôle de l’écliptique ( comme une toupie)
ex : une roue de vélo suspendue à une corde si elle n’est pas en rotation , son axe est
le même que la corde suspendue. Si elle est en rotation, elle tourne autour de cet axe
d’écliptique
-
volcanisme sur Io, le satellite le plus proche de Jupiter : les importantes forces de
marée à la proximité de Jupiter et les perturbations des autres satellites jupitériens
empêchent d’atteindre la synchronisation permanente avec jupiter. De plus suite à ces
effets de marée, l’Intérieur d’IO est constamment perturbé
-
limite de Roche, rupture de satellite et formation des anneaux : Rappel, il existe des
différences d’attraction entre deux points d’un satellite attiré par une planète, ⇒ les
deux bosses de marée de la terre par exemple. Si l’attraction subie par le satellite est
énorme comme dans le cas d’une planète géante, la différence d’attraction est
gigantesque entre deux points situés aux antipodes l’un de l’autre du corps. Si le
satellite est situé à une distance suffisamment proche de la planète géante, la cohésion
des roches de ce dernier sera moins forte que la différence d’attraction entre les deux
points, c’est la limite de roche. Le satellite va alors se fendre en morceaux( pour les
calculs, voir dia.) C’est ainsi que se sont créés les anneaux de caractéristiques de
Saturne et de toutes les planètes géantes.
16
NB : le fonctionnement d’un satellite n’est valable que pour les gros objets. Les petits
satellites ou les météores n’ont pas une cohésion qui est dominée par la gravitation.
De plus on ne sait pas si les anneaux créés sont éphémères ou primordiaux.
Cours manquant :il
sera rajouté d’ici
peut.
17
STU 20/04
Chapitre 5 Sommes-nous seuls ?
La formule de Drake ou comment fractionner notre ignorance.
Cette formule développée en 1971 tend à estimer le nombre de civilisations ayant développé
une technologie électromagnétique actuellement présente dans notre galaxie .
Ceci en fonction de trois facteurs : astronomique, biologique et sociologique.
Formule :
Rf
P
ne . fv. fi . fc L = N
Le facteur astronomique : R f
P
ne
Signification de la formule
R : rythme annuel moyen de formation d’étoiles dans la galaxie
fp : fraction des étoiles de la galaxie abritant un système planétaire ( au moins 10 à 20 % pour
les étoiles de type solaire)
ne : nombre moyen de planètes par système
NB : c’est le domaine dans lequel nous sommes les plus avancés.
Le facteur biologique : fv. fi
Signification de la formule
fv : fraction des planètes abritant la vie
fi : fraction des planètes abritant la vie où l’intelligence s’est développée
Le facteur sociologique : . fc L
Signification de la formule
fc : fraction des planètes abritant une vie intelligence ayant développé des moyens de
télécommunication électromagnétique
L : durée durant laquelle ces civilisations restent détectables
L ≤ à 100 ans pour l’humanité.
Exemple d’application
18
Sur une ligne du temps, on place via un trait noir la durée de vie d’une étoile de type solaire.
Durant la durée de cette vie va se développer une planète capable d’accueillir une vie qui
deviendra intelligente et développera une technologie électromagnétique.(voir dia.).
Méthode de détection des exo planètes : détermination de fp
Ces méthodes servent à déterminer le terme fp de l’équation. Déjà en 1600 B. Bruma prédit
l’existence de planètes extrasolaires. Cependant leur détection était rendue difficile en raison
des différences de contraste entre la lumière émise par la planète et son étoile. Nous sommes
en quelque sorte éblouis par la lumière de l’étoile de sorte que nous ne voyons pas la planète.
De plus la séparation angulaire corse un peu plus la difficulté. En effet, en raison de la
distance l’écartement de l’angle formé par deux rayons lumineux venant de l’étoile et de la
planète est minime.
Ex : a la distance de 206265UA : l’écartement d’UA ( distance terre-soleil ) entre la planète
et son étoile apparaît sous un angle 1’’ .
Enfin, les turbulences atmosphériques perturbent l’observation au sol. On comprend dès lors
pourquoi les exo planètes sont restées indétectables.
Méthode de détection I : l’interférométrie infrarouge annulante.
Cette méthode effectuée dans l’espace atténue voire fait disparaître les trois problèmes.
Principe : en fonction des longueurs d’onde que l’on décide de capter celles-ci peuvent être
en opposition de phase pour l’étoile mais pas pour l’objet que l’on désire observer.
Cela permet d’atténuer la visibilité d’une étoile au profit d’une planète. De plus ce système
permet de calculer la distance astre/planète et de détecter le rayonnement moléculaire et donc
la présence de tel ou tel type de gaz ;
Méthode de détection II : méthode de transit.
Lorsque la planète passe devant son étoile l’éclat de celle-ci baisse. Par calcul, de la
différence de lumière avant et pendant on connait le rayon de la planète ( calcul voir dia).
Ceci implique qu’on peut connaître la masse de l’objet grâce à la troisième loi de Kepler, on
peut donc ainsi connaître la densité et déterminer le type de planète. Seule méthode
permettant l’observation de planètes telluriques.
Méthode de détection III : micro-lentille gravitationnelle.
La relativité générale nous apprend qu’un objet peut courber la trame de l’espace temps pour
augmenter sa luminosité. Si un système solaire passe devant une ligne de visée entre la terre et
une étoile observée, il y a déformation de l’espace-temps et donc une augmentation de la
luminosité sur le système solaire.
Ce qui expliquerait pourquoi les étoiles ayant un système planétaire ou une métallicité ( =
contenu en métaux) supérieure à la moyenne des étoiles de même type sans système
planétaire. L’étoile serait enrichie en éléments lourds par l’accrétion des planètes sur celleci2.
19
Néanmoins, on pourrait ainsi dire qu’un environnement riche en éléments lourds favorise la
formation des planètes. On remarque également que ces éléments lourds attirent
O 2 ⇒ H2 O⇒ et peut-être la vie.
Enfin on a observé qu’il y avait une très forte similitude entre les propriétés orbitales des
planètes et celle des compagnons stellaires. Cependant ces deux objets n’ont pas le même
processus de formation :
- les planètes se forment par agrégation
- les étoiles ou compagnons stellaires se forment par contraction, de plus étoile et
planètes se distinguent par leur masse.
Les conditions propices au développement de la vie : détermination de fv .
Pour accueillir une vie de type terrestre, il faut :
1. Une étoile de type solaire : ce genre d’étoile est le plus favorable
- Si l’étoile est plus froide , l’exosphère risque d’être trop proche de l’astre,
⇒ trop de radiations de la couronne et des protubérances.
- Si l’étoile est plus chaude, sa durée de vie est trop courte pour que la vi se se
développe.
2. La position du système planétaire et de la planète accueillant la vie.
- Le système solaire occupe une position privilégiée dans la galaxie car aucune
des étoiles voisines ne perturbe le nuage de Oort. Si tel était le cas, le système
solaire subirait régulièrement des pluies de météorites et de comètes. Il faut
donc que le système planétaire occupe une position particulière dans la galaxie
- Les planètes accueillant la vie ne peuvent occuper n’importe quelle position.
a. Il doit être à une distance où l’apparition d’eau liquide
doit être possible, sa température à la surface doit donc
être comprise entre O° et 100°C.
b. Elle doit être protégée des chutes météoriques par
d’autres planètes ou ses satellites.
Ex : Jupiter à cause de sa masse attire un grand nombre
d’objets vers elle, cette planète joue le rôle de bouclier
terrestre et permet de diminuer le nombre d’impacts
terre/astéroïdes. La lune et mars jouent aussi ce rôle
mais secondairement.
NB : Les impacts météoriques jouent un rôle biologique
important, la fin des dinosaures suite à l’impact du
Yucatan à la transition crétacé/ tertiaire, il y a 65
millions d’années en constitue un exemple.
c. Elle doit posséder un ou plusieurs satellites
suffisamment gros pour stabiliser l’axe de rotation de la
planète (cfr les marées)
Ex : mars qui ne possèdant pas de satellite aussi gros
que la lune a changé plusieurs fois d’axe de rotation.
a- t-il de l’eau liquide ailleurs que dans le système solaire ?
20
Plutôt que d’aller rechercher la vie aux confins de l’univers, on peut envisager de détecter la
vie dans notre système solaire. Pour cela il faut essayer de répondre à la question du titre.
1. Le cas de Mars : nous savons aujourd’hui que mars possède deux calottes polaires
composées de glace d’eau et de glace carbonique. La surface de Mars peut faire penser
à des traces d’ancien canyons ce qui signifie qu’il y a eu de l’eau liquide en masse sur
Mars prouvée par ces formes d’érosion. Cela veut également dire que l’atmosphère de
Mars était beaucoup plus ténue, l’effet de serre était plus important et la température
plus clémente de sorte que l’eau liquide se forme.
la pression atmosphérique était donc plus grande et l’eau ne s’évaporait pas.
Seulement mars est une plus petite planète et elle n’a pu retenir son atmosphère. Enfin
la chute de météorites a mis en évidence que l’eau liquide apparaissait après le choc, il
y a donc de l’eau liquide et glacée sous le sol.
Y-a- t-il de la vie sur Mars ?
Afin de répondre à cette question, deux expériences furent réalisées avec les sondes
Viking 1 et 2.
La première expérience visait à rechercher des molécules organiques. La réponse est
qu’il n’y en a pas, il y a seulement de l’eau et du CO2.
La seconde expérience visait à rechercher des traces de métabolisme. La réponse du
test est positive mais l’interprétation est sujette à caution, les recherches ne tiennent
pas compte de réactions chimiques pouvant se produire.
2. Le cas d’Europe : ce satellite de Jupiter est recouvert de glace. Des impacts
météoriques montre l’effusion d’eau liquide il à peut être de l’eau liquide sous la
glace.
STU 27/04
La théorie de la panspermie
Certains scientifiques pensent que la vie n’est pas d’origine terrestre mais provient
d’astéroïdes tombés sur Terre. Ils appuient leurs dires par la découverte d’acides aminés dans
les astéroïdes (Murckison-Australie-1969) avec un excès énantiomérique
⇒ possibilité de glycine dans le milieu interstellaire.
Si ces acides aminés sont présents dans le météore, ils sont ailleurs dans l’Univers.
Enfin sur Terre on ne trouve qu’un seul type de construction de molécule et d’acide aminé et
pas son équivalent miroir. elle-ci serait due à la photolyse asymétrique dans le milieu
interstellaire.
21
Les conditions propice au d développement d’une intelligence (le terme FI de la formule
de Drake).
Les recherches au niveau de ce domaine sont quasi nulles. Néanmoins Fermi s’est livré à un
calcul de probabilité. Si il y a 100 milliards d’étoiles dans notre galaxie mille d’entre elles
pourraient accueillir des systèmes planétaires où la vie pourrait se développer. Avec notre
vitesse de développement actuelle, l’humanité, si elle ne s’est pas autodétruite, aura coloniser
la galaxie dans 1000 ans. On peut se poser la question : Pourquoi les autres formes de vie ne
l’ont pas fait ?⇒ existe-t-elle ?
Les OVNI : ils sont là !
L’idée des OVNI est un périlleux équilibre entre crédulité, ouverture d’esprit et esprit critique.
Au cours des siècles, certains phénomènes sont restés inexpliqués en fonction des
connaissances scientifiques de l’observateur.
Aujourd’hui encore certains phénomènes (5%) restes inexpliqués comme l’atteste le rapport
lancetta rédigé par le haut dignitaire militaire français ⇒ la question reste ouverte. Mais
attention : les OVNIS ne sont pas nécessairement d’origine extraterrestre.
Plusieurs hypothèses peuvent être réalisées concernant la vie extraterrestre :
a) Ils sont là mais nous évitent. La Terre serait une réserve naturelle protégée, à l’écart
des visites d’ET. Cette hypothèse fait l’analogie avec le cas des Indiens d’Amérique
perturbés socialement et décimés par l’arrivée des occidentaux.
b) Ils ont disparus par autodestruction nucléaire.
c) Ils méditent et ne voyagent pas comme certains ermites orientaux.
Méthode de détection d’une éventuelle vie extraterrestre intelligente via le captage de microondes.
Depuis le développement des ondes radars durant la IIème Guerre Mondiale, on a découvert
que ni l’espace ni l’atmosphère n’influençaient sur les microsondes. Depuis lors on recherche
des positions et des fréquences venant de l’espace. De plus au de les microsonde ne sont plus
d’origine naturel. Donc si une on capte une microsonde au delà de cette fréquence cela
signifie que celle-ci est d’origine extraterrestre.
Chapitre 6 : Le monde de galaxies
Notre galaxie, la voie lactée
Anatomie
Galilée (1610) fut le premier à comprendre grâce à l’utilisation du télescope la véritable
nature de la bande laiteuse qui traverse le ciel : la Voie Lactée, était ensemble de millions
d’étoiles trop lointaine et trop faible pour être perçue à l’œil nu. Cette bande dans le ciel
pourrait être beaucoup plus grande ou le ciel pourrait être beaucoup plus étoilé. Seulement les
nuages de poussière obstrue la lumière visible émie par les étoiles des régions éloignées du
Soleil. Cependant la lumière infrarouge est plus absorbées pas ces nuages ⇒ l’observation
22
dans le domaine infrarouge permet de sonder la Galaxie sur de très grandes distances. Les
photos infrarouges ont permis de reconstituer une vision entière de la Galaxie.
Notre Galaxie est une galaxie en spiral. Notre soleil est situé à mi chemin entre le centre
galactique (bulle) et la périphérie. De plus il est situé dans l’axe central de la galaxie. Nous
savons que notre galaxie est en spiral via l’observation des nuages d’hydrogène ionisé (voir
cours précédent) et les étoiles bleues.
L’origine des bras spiraux
Le soleil a une orbite quasi-circulaire pas rapport au centre galactique. Sa vitesse est de 220
km/s ⇒ une révolution en 220 millions d’années ⇒ depuis sa naissance, il a fait 23 fois le
tour du centre.
On a remarqué que les étoiles plus proche du centre mettait moins le temps à accomplir un
tour  Première hypothèse : les bras spiraux sont peut-être attribuable à la rotation
différentielle des étoiles dans la Galaxie.
Cependant des simulations ont montré que le dessin obtenu via cette hypothèse n’était pas
similaire (voir dia) ⇒ HYPOTHESE FAUSSE
La différence entre les bras spiraux et le reste de la galaxie est due à la présence de traceurs :
étoiles blanches et bleues très lumineuses et chaudes. Or on n’a vu que ce genre d’étoile avait
une durée de vie courte (10 ou 100 millions d’ans)  Deuxième hypothèse : les bras spiraux
serait des phénomènes éphémères.
Une troisième hypothèse serait de dire que les bras spiraux peuvent être considérés comme
des traceurs sans cesse renouveler via des ondes d’excitation se déplaçant dans le disque
galactique.
 Voir analogie avec l’embouteillage vue précédemment.
Les compressions due à l’onde de densité (= d’excitation) fait comprimer les nuages de gaz
qui s’effondrent et forment des étoiles.
Les étoiles bleues ainsi créées rendent l’onde de densité visible quand ces étoiles arrivent en
fin de vie. La région du disque anciennement compressé retrouve alors une luminosité. Alors
que l’onde de densité qui a créé les étoiles bleues se propage plus loin.
Les populations d’étoiles et les diverses composantes de la galaxie.
Le disque : 90 % de la matière visible de la galaxie. Celui-ci a un diamètre de 100.000 a-l et
une épaisseur de ~ 2000 a-l. Le soleil est situé à 20.0000 a-l du centre et 50 a-l au dessus du
plan. Le disque est composé d’ étoiles jaunes et modérément visibles de gaz et de poussières.
Le bulbe : 5 % de la matière visible ; Le bulbe est une sphère d’un diamètre de 100.000 a-l
Il est composé d’étoiles très vieilles et d’amas globulaires.
Amas globulaire : nés en même temps que la galaxie, ils sont composés de 10 millions
d’étoiles vieilles et sont gravitationnellement liés à la galaxie.
L’orbite de ces amas globulaire est orientée au hasard par rapport au disque galactique.
Les populations stellaires : on peut classer les étoiles en fonction de leurs propriétés
cinématique, leur composition chimique, (contenu plus lourd que l’hélium = métallicité) et la
distribution spatiale.
Population I : le disque galactique toutes les étoiles orbitent dans le disque, elles sont jaunes
et modérément vieilles et ont une métallicité entre 0,1 et 1 fois le soleil.
23
Population II : le halo galactique (voir supra), la métallicité de ces étoiles est supérieure à 0,1
le soleil.
Modèle de formation de la galaxie.
Tout comme pour la formation des étoiles les galaxies naissent d’un nuage qui se contraste.
Puisqu’il y a une conservation du moment angulaire, le nuage se met en rotation plus rapide.
Il y a donc aplatissement et formation d’un disque de gaz.
Les premières étoiles formées n’ont pas d’orientation particulière. C’est la formation des
halos. Les étoiles du halo peuvent traverser le nuage galactique sans problème. En revanche,
le nuage du halo ne le peut pas l’interaction du gaz du halo avec le gaz du disque galactique
sera beaucoup plus forte. Le nuage de gaz du halo sera happé par la rotation du disque, il y
aura dès lors perte de matériel dans le halo et formation d’étoiles suite au choc dans le disque.
Enfin le disque peut également profiter de la nucléosynthèse du halo.
Le centre galactique.
Celui-ci est situé dans le centre de la constellation du sagittaire. Les étoiles qui s’y trouvent
sont très lumineuses et émettent beaucoup de rayonnement très énergétique. On peut aussi
noter la présence de supernova et d’un champ magnétique intense.
L’objet SGRA*.
Cet objet très compact situé en plein centre est une source électromagnétique importante due à
des électrons crulents dans les arches dont on ne connaît pas l’origine et de gaz à grande
vitesse à proximité Toute une série d’étoiles orbitent autour de SGRA* : une étoile S2 est
passée en 2002 à 15 heures lumière de SGRA* à la vitesse de 5000 km par seconde ce qui a
permis de distinguer son orbite. Celle-ci est excentrique. Via la troisième loi de Kepler, on a
pu déterminer la masse de SGRA*. Celle-ci est énorme et la densité est supérieure à 4.1015
Soleil (densité minimum) ⇒ SGRA * est peut-être un trou noir. De plus, il n’émet aucun
rayonnement radio ou électromagnétique. Ce n’est donc pas un ensemble d’étoiles à
neutrons. Cependant la densité de cet objet n’est pas encore celle d’un trou noir. Il ne serait
cependant pas étonnant que celui-ci en soit un. Enfin, on retrouve ce genre d’objet central
dans toutes les galaxies qu’elle soit normale (Ex : Andromède) ou active (Ex : Abell 1187).
Les galaxies actives
Définition : galaxie dont le centre galactique émet des jets de matière.
Exemple : M 87 : galaxie elliptique géante située au centre de l’amas de la Vierge. L’objet
central de cette galaxie contient une masse de 3 millions soleil dans moins de 120 années
lumière. Ces rejets sont très visibles dans les ondes radio. Dans de nombreux cas, (comme la
galaxie NG 4261) Un zoom sur le centre galactique permet d’identifier un disque d’accrétion
de matière probablement lié au rejet du centre.
Un autre exemple de galaxie est Cygnus A ( ?) qui se caractérise par le fait qu’elle est la
troisième source radio la plus intense du ciel, néanmoins, elle est à peine visible dans le
spectre de la lumière visible. L'analyse de cette galaxie dans le domaine du rayon X est encore
24
plus interpellant. Des jets énormes sont éjectés du centre galactique Ceux-ci sont
probablement dus à une suralimentation de la couronne entourant le trou noir. Cela signifie
que les trous noirs centraux ont tendance à rendre les galaxies actives.
NB : l’éjection de matière par le centre galactique est analogue à un jet de matière effective
lors de la formation des étoiles bleues dans les bras spiraux suite à la propagation d’ondes de
choc.
Pourquoi les galaxies, proches de la voie lactée ne sont –elles pas actives ?
On peut remarquer que notre galaxie est les galaxies dites actuelles 1 (proches en distances)
ne possèdent pas de centre actif. L’explication la plus plausible est que toute la matière
disponible a été consommée, il n’y a donc plus d’alimentation du centre pour alimenter le
disque d’accrétion du trou noir et plus de rejet.
Cependant l’activité des centres galactiques peut reprendre de temps à autre suite par exemple
à la fusion de deux galaxies dont le résultat est la formation d’une galaxie elliptique géante.
Ex : dans 2 milliards d’années, notre galaxie et celle d’Andromède vont se collisionner et
fusionner, ce qui impliquera la formation de nouvelles étoiles et d’un nouveau centre actif.
STU 4 /05
Les interactions entre galaxies sont fréquentes car les diamètres de galaxies ne sont pas
négligeables par rapport aux distances entre celles-ci au sein des amas.
Ex : La distance entre la Voie Lactée et Andromède dans l’amas local vaut 25 fois le diamètre
de la Voie Lactée. Actuellement notre galaxie est en train d’absorber la galaxie naine du
Grand Chien et du Sagittaire. Cette absorption entraîne
Une déformation progressive de la Galaxie.
Enfin, on peut dire que :
- les galaxies actives sont caractéristiques des amas très peuplés comme celui de la
Vierge. Le nombre de fusion galactique étant élevé, les galaxies elliptiques sont
nombreuses.
- Au contraire, les amas moins peuplé ont moins de galaxie active. Les galaxies y sont
plutôt de type spiral.
 Dans le voisinage de la Voix lactée la seule galaxie actuelle et active est centaurus
A.
Est-ce que les galaxies lointaines (ou quasars) sont actives ?
La réponse est oui. Pour plusieurs raisons :
a) Les galaxies lointaines sont facilement détectables car très lumineuses par rapport aux
galaxies normales.
b) Il ne faut pas oublier que l’image qu’on perçoit de ces galaxies datent de plusieurs
milliards d’années ⇒ les galaxies nous apparaissent plus jeune ⇒ à une époque où la
matière alimentait le disque d'accrétion était encore abondante.
c) Les collisions entre galaxies étaient plus fréquentes dans le passé.
Les Quasars
1
On appelle ces galaxies actuelles car la vision qu’on en a est plus proche de la réalité. Il ne faut pas oublier que
la vision que l’on a de l’univers n’est pas actuelle suite au temps que met la lumière pour nous atteindre.
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Définition : quasi stellar radio source = source importante d’onde radio caractéristiques des
galaxies lointaines.
Les Quasars ont été découvertes en 1960. les raies spectrales qui caractérisaient ceux-ci furent
non identifiées. On a donc cru avoir découvert de nouveaux éléments chimiques. Par la suite,
ces raies furent considérées comme communes. Mais affectées par un grand décalage vers le
rouge dû à la distance. Une autre caractéristique des quasars les plus brillants (donc proches)
est un jet de radiations intense.
Classification des galaxies : le diagramme de Hubble.
Voir Dia.
ATTENTION ! Ce diagramme n’est pas une séquence évolutive. Les galaxies elliptiques ne
sont le résultat que de fusions que de galaxies bien définies. Cette évolution n’est pas
systématique.
Propriétés comparatives des galaxies.
Voir dia. Bien résumé.
La masse des galaxies.
I.
Via la mesure de vitesse radiale par l’effet Doppler.
Si la masse d’une galaxie était principalement concentrée dans son noyau comme le suggère
un fort éclat, la vitesse de rotation d’une galaxie s’exprimerait par /
Vrot = 2Πr et via la troisième loi de Kepler
P
R3 = GM noyau
ALORS Vrot = { GM noyau }1/2
P²
4Π²
r
Cependant, on observe que les courbes de rotation sont plates ! Ce qui est en contradiction
avec une grosse masse centrale.
Deux autres possibilités pour expliquer cette contradiction :
1.
Il existe de la matière non lumineuse. Mais on ne connaît pas la nature de cette
matière. Ce ne sont pas des objets de type trou noir, étoiles à neutron, naines
blanches, ceci ne suffirait pas à expliquer la contradiction.
2.
La gravité ne serait pas universelle.
II.
Via la masse dynamique.
On calcule la masse de la galaxie via l’orbite et la vitesse des nuages de gaz à 100.000 a-l du
centre galactique. (soit deux fois plus loin que la limite du disque d’étoiles).
La vitesse de ces nuages est de 270 km/s.
⇒ la masse dynamique de la voie lactée est de 5,2 .10 11 masses solaires.
26
III.
Via l’estimation de la masse lumineuse.
En extrapolant à partir de la portion de la galaxie directement observable, on évalue la
luminosité totale à 25 10 9 luminosité solaire.
Si on émet l’hypothèse que les étoiles de la galaxie sont identiques au soleil mais ce n’est pas
le cas, on estime que la galaxie est peuplée principalement d’étoiles naines massives moins
lumineuses que le soleil dont le rapport L = 1
M 4
Il faut donc 4 masses solaires pour obtenir une luminosité solaire en moyenne dans la galaxie.
Via cette méthode, la masse lumineuse de la galaxie s’élève à 100.000. 109 masses solaires.
Il y a donc un écart énorme d’estimation entre les 2 méthodes. Ceci est sans doute dû au fait
que la formule Vrot = { GM noyau }1/2 est incorrecte.
r
Il est donc presque sûr que la gravité n’est pas universelle mais varie. Enfin le phénomène de
lentille gravitationnelle due à une courbure de l’espace-temps par les étoiles super massives et
les amas rajoute un élément de désaccord.
Il semble que le poids galactique soit dû à la grande quantité de matière sombre.
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Chapitre 7 Eléments de cosmologie.
La superstructure de l’Univers.
1. Le groupe local : Notre galaxie, les deux nuages de Magellan plus une panoplie de
petites galaxies.
2. Le superamas local : celui-ci compte 30 galaxies dont la notre et la galaxie
d’Andromède. Dans son voisinage, on trouve la galaxie de la Vierge qui regroupe
2000 galaxies.
3. Les amas de galaxies : à cause de la distance, nous ne possédons des images de ces
galaxies que lorsqu’elles étaient jeunes. Ceux-ci sont composés de galaxies spirales et
elliptiques. Ex : amas Abell 38 situé à 8.109.On a remarqué que beaucoup de ces
galaxies étaient en constante interaction. Elles sont destinées à fusionner ce qui
implique des modifications dans l’apparence de l’amas. Certains de ces amas situés à
8.109 a-l sont super-massifs.
4. Le réseau de filaments / On a remarqué que les super-amas étaient articulés suivant
des filaments entourant des zones de vide. Ceux-ci regroupent 200.000 galaxies.
Le champ profond de Hubble : Hubble a observé pendant 150 heures
( 6 jours ) un champ pointé 2,5’ dans la constellation de la Grande Ourse. L’intérêt
était de capter toutes les sources lumineuses. En effet, notre ciel change 24 x d’image
par seconde et ce rythme est trop rapide pour percevoir toutes les sources lumineuses
de l’univers. Cependant, une plaque photo ou une autre technologie peut capter toutes
ces sources autant qu’elles soient suffisamment espacées. Le champ profond de
Hubble recense 2500 galaxies sur 1/ 30 10 millions de la sphère céleste. En
extrapolant et en faisant l’expérience sur d’autres zones de l’espace on pouvait
recenser 75 milliards de galaxies Donc s’il y a environ 200 milliards d’étoiles par
galaxie, il y a
1,5.10 22étoiles dans l’univers. Si on considère que celles-ci sont semblables au soleil,
il y a 1,5.10 22 . 2.1033 g.6 ;1033 = 1 ,8 .10 79 ???dans l’univers.
Le champ très profond de Hubble : ici, le télescope Hubble a observé pendant 280
heures ( 12 jours) un champ dans la constellation Fornax. Celui-ci a permis de
détecter :
- la galaxie la plus lointaine, Abell 1835 située dans l’amas de galaxies Abell 2216.
Cependant cette petite galaxie n’a pu être découverte que par rapport aux galaxies
géantes voisines qui amplifient de 25 à 100 fois la luminosité de Abell 1835, celleci étant située à 13,23 106 a-l on la perçoit donc comme quand l’univers avait 470
millions d’années soit 3 % de son âge actuel.
- 10.000 galaxies nées lorsque l’univers était âgé de 400 à 700 millions d’années.
Le paradoxe d’Olbers. Pourquoi le ciel nocturne est-il noir ?
Si on laissait éternellement une plaque photographique exposée à la voûte céleste,
celle-ci devrait au bout d’un moment être pleine de lumière de galaxie puisque chaque
ligne de visée finit par toucher une galaxie. Un peu comme si on peignait champ de
poteaux en blanc plus on s’éloigne, plus le champ nous semble uniforme. Ce n’est pas
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la même chose pour l’univers : on continue à observer des trous entre les galaxies
donc le ciel nocturne est noir.
Plusieurs explications possibles :
1. L’âge de l’univers est infini : la brillance de la surface de la galaxie reste la même
quelque soit sa distance puisque l’état apparent, diminue comme 1/r² la surface
apparente diminue par le même facteur à chaque distance R( ?) les galaxies
découvertes sont de plus en plus petites.
2. La vitesse de la lumière n’est pas infinie. Celle-ci met un certain temps à nous
atteindre, elle n’est pas instantanée.
3. La loi de Hubble : plus la galaxie est lointaine, plus son spectre se décale vers le
rouge donc elle devient imperceptible.
4. Le champ de brume.
On ne peut remonter éternellement dans l’âge de l’univers car dans les distances les plus
lointaines il se trouve un mur de brume. Celui-ci fut découvert en 1965 par Penzias et Wilson.
Ceux-ci scrutaient le ciel à l’aide d’antennes En faisant cela ils ont remarqué la présence d’un
bruit de fond. Les deux chercheurs tentèrent de s’en débarrasser mais la mise en évidence de
ce bruit de fond permit la mise en évidence d’un rayonnement de corps noir à la température
de 2,73 K.
Hypothèse sur l’origine du mur de brume et de l’univers.
Ceci n’est que de la théorie mais ce qui c’est réellement passé. Trois secondes après la
naissance de l’univers, la température était telle que la matière se trouvait sous forme de
soupe de particules fondamentales.
Suite à une baisse de la température au-dessous de 10.000 Km l’univers s’est ionisé.
Le parcours des photons dans cet univers est fort restreint, celui- de la lumière également.
Vers 300000 ans après le commencement la température est passée sous 3000 K, c’est
l’apparition de l’atome neutre , l’univers devient transparent car parcouru par la lumière
C’est ce premier rayonnement de corps noir que Penzias et Wilson et le satellite COBE ont
découvert.
Il est certain que les graines de galaxies étaient déjà présentes à cette époque ce qui implique
une inhomogénéité de particules.
Celle-ci fut confirmée par des observations minutieuses du rayonnement de corps noir dans
lequel on détecte des différences de température qui devraient correspondre au filament sur
lequel se disposent les galaxies.
Néanmoins il y a un problème majeur à cette théorie, comment expliquer que le rayonnement
soit détecté à une température de 2,73 K alors que la température de l’époque était légèrement
inférieure à 3000 . La réponse se trouve dans la loi de Hubble et la théorie de l’expansion de
l’univers.
La loi de Hubble
Une étoile comme une galaxie à un spectre électromagnétique spécifique caractérise par des
rails (voir dia effet doppler).
On remarque que plus la distance est grande entre observateur et l’objet observé plus le
décalage des rails vers le rouge est important. En comparant la vitesse d’éloignement en
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fonction de la distance on remarque que celle-ci est proportionnelle à la distance. (voir dia )
L’univers est en expansion.
L’expansion de l’univers et son âge.
La loi de Hubble implique que l’univers est en expansion. Cependant c’est la trace de
l’espace-temps qui enfle un peu comme un pain au raisin. Tout se dilate. Ceci signifie que
tout objet dans l’univers se dilate mais il est difficile de s’en rendre compte :
1.
Cette dilatation est minime 66 mm a ajouté 1 km après une suite de l’expansion de
l’univers.
2.
Tout objet de mesure servant de référence enfle également
3.
Néanmoins on permet d’expliquer pourquoi il y a une différence entre la
température observée du corps noir (2,7K) et la température théorique ( 3000 km)
En effet si toute la matière se dilate petit la longueur ( λ) entre chaque train d’onde
grandit également. La vitesse d’expansion 65 s M pc/km ce qui égal à l’inverse
du temps, on peut estimer que l’âge de l’univers si on admet que la vitesse
d’expansion de l’univers Ho S est constante
Ce qui correspond à meilleure estimation actuelle qui fournisse des valeurs entre 13 et 14
milliards d’années en accord avec l’âge des plus vieilles étoiles et des amas globulaires.
Voir formule sur feuille
Remarque
La loi de Hubble n’est valable que pour la distance cosmologique ( 10 années lumière) Les
objets proches subissent la loi de la gravité. Ce qui explique pourquoi les galaxies
d’Andromède et la voie lactée destinées à fusionner.
Hypothèse concernant l’évolution de l’expansion de l’univers.
La vitesse d’expansion de l’univers ne tend pas vers l’infini à cause de la gravité universelle.
A partir de cela on peut émettre deux hypothèses.
- soit la gravité n’est pas suffisante pour empêcher l’extension, l’univers se dilate
éternellement.
- soit la gravité est suffisamment grande pour arrêter l’expansion l’univers arrête de
se dilater pour se contracter, nouveau bing bang.
Schéma dans le cours.
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EXAMEN
Qcm avec estimation de certitude. 3 questions ouvertes et petit calcul de conversion ou de
démonstration ( kekpler, effet doppler, gravité universelle notmaent )
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