L'Univers et les galaxies

L'Univers est tout ce qui existe. Le nombre de galaxies, dans l'Univers observable, est estimé à 200 milliards. On distingue différents types de galaxies : les galaxies spirales (dont la Voie Lactée), les galaxies elliptiques, les galaxies irrégulières, les galaxies naines, les galaxies lenticulaires, les galaxies anneaux. Les galaxies sont organisées en amas, puis en superamas, puis encore en super superamas. La Voie Lactée fait partie du groupe local, du superamas de la Vierge et du super superamas Laniakea. A très grande échelle l'Univers présente une structure en nid d'abeille. 

L'Univers observable a un rayon de 46 milliards d'années-lumière. Au delà de cet horizon cosmologique c'est l'Univers non observable, on admet qu'il ressemble à l'Univers observable mais on en ignore sa dimension. L'Univers est fini et sans bord (ex: sphère) ; d'un point philosophique un univers infini n'est pas compatible avec un "big bang initial".

Les galaxies naines sont de loin les plus nombreuses environ 90 % . Les galaxies ont été classées par Hubble selon leur morphologie : elliptiques (E0 à E7), lenticulaires (S0), spirales (Sa, Sb, Sc) et spirales barrées (SBa, SBb, SBc). Les spirales représentent 61%, les lenticulaires 21%; les elliptiques 13%, les irrégulières 3,5% et les particulières 0,9%.

Les galaxies spirales sont dites jeunes car elles contiennent encore beaucoup de gaz et des étoiles continuent à se former. Les galaxies elliptiques sont dites vieilles car elles ne contiennent plus de de gaz et ne forment donc plus d'étoiles.

La grande conjonction

En cette fin d'année, lorsque le ciel est dégagé, on peut observer un phénomène rarissime : la grande conjonction de Jupiter et de Saturne. La précédente a eu lieu en juillet 1623! Les deux planètes se rapprochent de jour en jour et apparaitront confondues le 21 décembre. On peut les voir facilement à l'œil nu à la tombée de la nuit en direction du sud-ouest à environ 30° au dessus de l'horizon. Ce sont les deux petits points blancs que l'on aperçoit sur la photo en bas vers la droite, Jupiter le plus gros et juste au-dessus Saturne, avec en prime un magnifique clair de Lune.

Triel - le 17 décembre 2020 à 18h21

La Relativité

On doit à Albert Einstein deux théories majeures qui ont bouleversé la physique et notre compréhension de l'Univers : la Relativité restreinte en 1905 et la Relativité générale en 1915. Mais c'est pour une autre découverte, l'effet photoélectrique, qu'il reçut le prix Nobel de physique en 1921. Dans la Relativité restreinte il n'y a plus de temps absolu. La vitesse de la lumière est constante. Dans la Relativité générale, la présence d'une masse courbe l'espace-temps. La Relativité a permis d'expliquer la précession de la périhélie de Mercure, de prédire les lentilles gravitationnelles, les trous noirs, les ondes gravitationnelles.

Les étoiles

Les étoiles se forment à partir de gigantesques nuages de gaz d'hydrogène et d'hélium présents dans la galaxie. En se contractant le gaz s'échauffe et s'effondre jusqu'à atteindre 15 millions °K température nécessaire à la fusion de l'hydrogène. 

Une fois née, l'évolution de l'étoile va dépendre de sa masse. Les étoiles sont classées dans le diagramme d'Hertzsprung-Russel en fonction de leur luminosité et de de leur température de surface. Les géantes bleues, les plus massives, sont les plus chaudes et les plus lumineuses à l'inverse, les naines rouges, les moins massives, sont peu lumineuses et plus froides. Le soleil est une étoile "moyenne" dont la température de surface est de 5800 °K. Les géantes bleues sont rares car elles ont une durée de vie relativement courte (de l'ordre du million d'années) ; les naines rouges sont très abondantes, elles ont une durée de vie très longue (jusqu'à 20 milliards d'années !) ; le soleil a une durée de vie de 10 milliards d'années. La durée de vie des étoiles est gouvernée par sa loi de Stefan L=σST⁴ ( L : luminosé, S : surface, T  : température).

En fin de vie, les étoiles passent par le stade de géante rouge avant de finir, selon leur taille, en nébuleuse planétaire et naines blanches (pour les étoiles < 6 fois le soleil), en supernovæ puis en étoile à neutrons (voire en étoile à quarks) ou trou noir stellaires (pour les étoiles > 6 fois le soleil). Les naines blanches ont une taille similaire à la terre, les étoiles à neutrons de l'ordre de 10 km, et les trous noirs stellaires quelques km.

La Voie Lactée

La Voie Lactée est une galaxie de type spirale barrée ; elle a la forme d'un disque aplati, de 100 000 al de diamètre, renflé en son centre. Le disque est constitué de 6 bras principaux, le bulbe central contient une barre d'étoiles et un trou noir supermassif. L'épaisseur de la Voie Lactée est de 1000 al au niveau du disque et de 10 000 al au niveau du bulbe. Elle contient 200 milliards d'étoiles qui tournent autour de son centre, le soleil est à 26 000 al du centre et fait un tour complet en 220 millions d'années.

Les amas globulaires sont essentiellement présents dans le halo qui entoure la Voie Lactée, ils regroupent des étoiles vieilles (> 10 milliards d'années). 

A l'inverse, les amas ouverts sont situés dans les bras galactiques et ne contiennent que des étoiles très jeunes. 

Les nébuleuses gazeuses sont de gigantesques nuages d'Hydrogène et d'Hélium ce sont, en quelque sorte, des nurseries où naissent les étoiles. 

Les nébuleuses obscures sont constituées de poussières qui masquent les autres objets. 

Les nébuleuses planétaires sont les restes d'étoiles de taille similaire au soleil. 

Les supernovæ sont relativement rares et résultent de l'explosion en fin de vie de grosses étoiles, après l'explosion les restes (rémanents) se refroidissent progressivement et disparaissent.

Les exoplanètes sont probablement très abondantes ; en effet, une étoile sur deux posséderait un système planétaire avec au mois une planète en zone habitable.

Les exoplanètes

L'exoplanète (51 Pegasi b) a été découverte en 1995 par une équipe suisse, Didier Queloz et Michel Mayor, par la méthode des vitesses radiales. Aujourd'hui on en recense plus de 4000. Le télescope spatial Képler est entièrement dédié à la recherche d'exoplanètes ; il en a détecté 2600 entre 2009 et 2018. Quelques exoplanètes présentent des caractéristiques proches de celles de la Terre et pourraient donc abriter une forme de vie. L'indice de similarité (IST) a été défini en prenant en compte la densité, le rayon, la vitesse de libération et la température de surface ; la Terre a un IST de 1 et Mars de 0,66. Les exoplanètes les plus favorables à la vie sont, à ce jour, Gliese 581 g (IST = 0,92) et Gliese 667C c (IST =0,85) ; le système Gliese 667C est distant de 22 al. La prochaine étape sera de détecter une éventuelle atmosphère et sa nature (analyse spectroscopique).

Le système solaire et les planètes

Le système solaire comprend par ordre d'éloignement par rapport au soleil : 

• les planètes telluriques (Mercure, Vénus, la Terre, Mars), 
• la ceinture principale d'astéroïdes, 
• les planètes géantes gazeuses (Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune), 
• la ceinture de Kuiper (comètes, planètes naines),
• le nuage d'Oort (comètes),

Les comètes sont constituées d'un mélange de roche et de glace. Elles ont des orbites très elliptiques et perdent environ 1% de leur masse à chaque passage près du soleil.

Les planètes naines sont actuellement au nombre de 6 dont Pluton, la plus connue. Elles sont situées dans la ceinture de Kuiper à l'exception de Cérès située dans la ceinture d'astéroïdes.

Les planètes :

• Mercure (Hermès),  
• Vénus (Aphrodite). Vénus a la particularité d'avoir une rotation rétrograde et très lente (243 j terrestres !). Sa température très élevée et son atmosphère épaisse et corrosive la rendent impropre à abriter la vie.
• la Terre (Gaïa),
• Mars (Arès) : Mars est nettement plus petite que la Terre, elle possède une atmosphère ténue de CO2.
• Jupiter (Zeus) : Jupiter est la plus grande des planètes de notre système solaire. 
• Saturne (Cronos) : Saturne possède un système complexe d'anneaux constitués de milliards de billes de glace de quelques centimètres à quelques mètres. Ils ont un diamètre de 300 000 km pour une épaisseur d'une dizaine de mètre seulement !
• Uranus (Ouranos) : Uranus a la particularité d'avoir un axe de rotation très incliné, on dit qu'elle "roule" sur son orbite. 
• Neptune (Poséidon).

Toutes les planètes géantes possèdent des anneaux à l'instar de Saturne.

Le principe anthropique (ébauche)

Le principe anthropique tente d'expliquer notre présence : pourquoi sommes-nous là ?

Selon le principe anthropique faible, nous sommes là tout simplement parce que les conditions de la vie sont réunies sur la terre (et peut-être aussi ailleurs). C'est donc une question de hasard.

Pour le principe anthropique fort, au contraire, l'existence de la vie est l'aboutissement normal de l'évolution du cosmos. D'un côté c'est le hasard, d'un autre côté c'est la nécessité.

L'espace-temps quantique

Deux théories sont en concurrence pour proposer une gravité quantique unifiant ainsi la relativité générale et la mécanique quantique : la théorie quantique à boucles (Loop Gravity Theory) qui part d'une vision granulaire de l'espace et la théorie des (super) cordes.

Au lieu de la vision einsteinienne basée sur un espace-temps continu, la LGT est fondée sur l’idée que l’espace possède des échelles minimales de taille. L’espace laisse la place à un « réseau de spins » une sorte de tissu formé de boucles qui, à des distances courtes, forment une mousse instable où l’espace continu cesse d’exister. De cette manière, l’espace même apparaît quantifié à la taille de la longueur de Planck, en dessous de laquelle l’espace cesse d’être continu.

La nouvelle théorie unificatrice proposée par Witten a été baptisée théorie M. Il s’agit d’un espace-temps à onze dimensions (dix spatiales et une temporelle), sept d’entre elles seraient compactifiées ; il est composé de couches de plusieurs dimensions appelées branes. Un p-brane équivaudrait à p dimensions et une 9-branes dans un espace à 10 dimensions se comporterait de manière analogue à une membrane bidimensionnelle dans un espace à trois dimensions. Cependant, le manque de prédictions et son extrême complexité laisse sceptique une bonne partie de la communauté scientifique. Les théoriciens des cordes ont proposé un univers divisé en bulles avec dans chacune d’entre elles des lois de la physique différentes. Certains jugent possible que ces 10⁵⁰⁰ univers possibles envisagés par la théorie existent vraiment dans un méta-univers plus grand que tout ce que nous pouvons imaginer.

Détection des exoplanètes : prouesses et limitations

Des exoplanètes sont découvertes régulièrement ; au 10 août 2020, on compte 4292 exoplanètes. Cinq techniques sont utilisées pour la détection : 

1) la détection directe.

2) l'astrométrie : on mesure les oscillations de l'étoile autour de sa position moyenne.

3) l'effet lentille gravitationnelle (effet relativiste).

4) le transit : on mesure la baisse de luminosité lorsqu'une planète passe devant une étoile (analogue à une éclipse).

5) les vitesses radiales : on mesure le décalage vers le rouge ou le bleu (effet doppler) d'une raie caractéristique du spectre d'émission de l'étoile dû à la présence d'une planète. Ce décalage peut être augmenté par l'effet Gaussiter Mac Laughlin (rotation de l'étoile sur elle-même).

Théorie des instruments

Un instrument est composé d'un objectif et d'un oculaire définis par leur diamètre et leur distance focale (respectivement D, d pour le diamètre et F, f pour la distance focale). La mise au point consiste à faire coïncider les foyers des deux lentilles.

Le grossissement est défini G = F/f. Le grossissement maximal dépend du diamètre de l'objectif : Gmax = 2,5*D. En pratique, en région parisienne Gmax = 2.

L'ouverture d'un objectif est défini par le rapport F/D. Pour l''observation du ciel profond on privilégie une grande ouverture (F/D petit).

Le chat de Schrödinger

Le chat de Schrödinger est une expérience de pensée imaginée par Erwin Schrödinger pour illustrer l'étrangeté des comportements des particules dans la mécanique quantique.

Le chat est enfermé dans une boîte avec une particule radioactive, un marteau et une fiole de poison. Si la particule se désintègre, un dispositif actionne le marteau afin de casser le flacon et de libérer le poison. la désintégration d'une particule est totalement aléatoire. Selon la mécanique quantique, tant que l'on a pas fait l'observation, on ne peut pas savoir si le chat est vivant ou mort. Il y a superposition des états, le chat est à la fois mort et vivant.

Les particules élémentaires

Le modèle standard comprend 17 particules :

Par MissMJ — File:Standard Model of Elementary Particles.svg, CC BY 3.0, Lien