Dans le ciel d'Orgeval 2

Cette fois-ci, le téléscope eVscope eQuinox* a parfaitement fonctionné. Nous avons pu observer :

- la nébuleuse M42 dans la constellation d'Orion. C'est un amas ouvert de jeunes étoiles,

- la nébuleuse du Crabe (M1), rémanent de la supernova de 1054, située dans la constellation du Taureau et à une distance de 6300 années-lumière, 

- la galaxie irrégulière du Cigare (M82) et sa voisine la galaxie M81, toutes deux situées dans la constellation de la Grande Ourse et à environ 12 millions d'années-lumière,

- l'amas d'étoiles de la Chouette, 

- Régulus, étoile la plus brillante de la constellation du Lion.

* grossissement optique x50, digital x400, magnitude limite <16, pouvoir séparateur 1,77 " d'arc, miroir 115 mm, focale 450 mm.

eVscope eQuinox

Dans le ciel d'Orgeval

Le ciel dégagé d'hier soir et l'absence de Lune, étaient propices à une séance d'observation sur le site du plateau St Marc à Orgeval. C'était ma première séance d'observation dans le cadre du club Arès et Antarès.

A l'aide du télescope Célestron C9 235 mm : l'amas M42 dans la constellation d'Orion, l'amas des Pléiades (que l'on devine à l'œil nu).

A l'œil nu : la constellation d'Orion, facilement reconnaissable par le "baudrier" (trois étoiles parfaitement alignées), avec en haut à gauche Bételgeuse (une des plus grandes étoiles connue) et en bas à droite Rigel, ; l'étoile Polaire et la grande Ourse ; Sirius l'étoile la plus brillante (magnitude -1,6), et une des plus proches (8,6 al).

Malheusement, on n'a pas pu utiliser le nouveau télescope eVscope eQuinox, la fonction Go To automatique étant inaccessible pour une raison mystérieuse. Ce sera pour une prochaine fois.

L'Univers chiffonné

L'Univers est-il fini ou infini ? C'est une question qui est toujours en débat. Dans son livre, l'Univers chiffonné, Jean-Pierre Luminet nous démontre que "le caractère fini ou infini de l'espace dépend de sa topologie et non pas seulement de sa courbure. Les cosmologistes négligent le plus souvent la première pour ne considérer que la seconde". 

La courbure peut-être nulle (géométrie euclidienne : Σ des angles d'un triangle = 180°) , positive (elliptique : Σ des angles > 180°) ou négative (géométrie hyperbolique : Σ des angles < 180°).

Si la courbure est positive, l'espace est elliptique et nécessairement fini (hypershère). Si la courbure est négative l'espace est hyperbolique, si la courbure est nulle l'espace est eucliden, dans ces deux cas l'espace peut-être fini ou infini selon le modèle topologique. La topologie peut-être monoconnexe (c'est à dire d'un seul tenant) ou multiconnexe (c'est à dire avec des "trous").

Pour les surfaces euclidiennes, seul le plan euclidien est monoconnexe, le cylindre, le tore (plat), le ruban de Möbius et la bouteille de Klein sont multiconnexes. Pour les surfaces elliptiques, la sphère est monoconnexe. Les surfaces hyperboliques peuvent être monoconnexe (plan de Lobatchevski) ou multiconnexes.

Les choses se compliquent lorsque l'on passe à trois dimensions.

L'espace 3D euclidien monoconnexe est infini dans toutes les directions, les variantes multiconnexes sont au nombre de dix-huit, huit sont des espaces ouverts (volume infini) et dix sont fermés (volume fini) dont l'hypertore. L'espace elliptique monoconnexe est l'hypershère, les variantes multiconnexes sont innombrables et toutes fermées dont le dodécaèdre de Poincaré (formé de 12 pentagones réguliers) avec un volume 120 fois plus petit que celui de l'hypersphère. Pour les espaces hyperboliques, un seul est monoconnexe, l'espace de Lobatchevski infini dans toutes les directions.

Dans un univers monoconnexe, un seul des rayons émis par un objet nous parvient, celui qui emprunte le plus court chemin entre l'objet et nous, et donne une image unique que nous voyons. Dans un univers muliticonnexe, les rayons empruntent une multitude de trajets possibles produisant une image différente.

Quelques notions d''Astrophysique

La méthode des parallaxes permet de mesurer facilement la distance d'étoiles relativement proches. On observe l'étoile à 6 mois d''intervalle ; la distance est calculée par la cotangente de l'angle observé.

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Selon la 3e loi de Képler T² / a³ = k , les orbites des planètes sont des ellipses ; le carré de la période de révolution T est proportionnel au cube de la distance au soleil a (demi-grand axe), k est constant pour les planètes du système solaire (k = 1 si T en années et a en unités astronomiques).

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La force d'attraction entre deux astres est proportionnelle au produit des mases des astres et inversement proportionnelle au carré de leur distance : F = GM₁M₂/d² . G est la constante de la gravitation.

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Dans un système de deux corps, le barycentre est donné par le produit M₁xd₁ = M₂xd₂.

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La loi de Stefan L=σST⁴ montre que la luminosité des étoiles dépend plus de leur température que de leur  taille (L : luminosé, σ : constante de Stefan, S : surface de l'étoile, T  : température surface de l'étoile).

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La loi de Wien explique la couleur des étoiles en donnant le domaine de longueur d'onde correspondant au maximum démission : Λmax.T = 2,898.10^-3. Selon cette loi, le maximum d'émission pour le soleil est dans le vert ; on le perçoit jaune parce que nos yeux sont moins sensibles au bleu.

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Les points de Lagrange sont des points d'équilibre dans des systèmes à 2 corps. Pour le système Terre / Soleil ils sont au nombre de 5. L1 et L2 sont alignés avec le Soleil et la Terre, à une distance de 1 500 000 km de part et d'autre de la Terre. L3 est symétrique à la Terre par rapport au soleil. L4 et L5 sont très stables, ils forment des triangles équilatéraux avec le Soleil et la Terre.

Entre l'infiniment grand et l'infiniment petit

On se situe à peu près à mi chemin entre l'infiniment petit : la distance de Planck, et l'infiniment grand : limite de l'Univers observable !

Distance de Planck : 10^-35 m.

Univers observable (rayon ) : 45x10⁹ al, soit 45x10⁹x10¹³ km = 45x10²¹ km = 45x10²⁴ m.

A méditer !

Les ondes gravitationnelles

Dans le modèle standard, la force gravitationnelle est l'une des quatre forces fondamentales. Son intensité est extrêmement faible (10^-39 plus faible que l'interaction forte !). Le graviton est la particule hypothétique associée aux ondes gravitationnelles (m = 0, spin = 2, v = 300 000 km/s). La détection des ondes gravitationnelles nécessite des instruments extrêmement précis : interféromètre de Michelson avec des bras très longs (4 km).

Les ondes gravitationnelles peuvent être générées par des événements majeurs : fusion de deux étoiles à neutrons, d'une étoile à neutrons et d'un trou noir, de deux trous noirs, effondrement de cœur d'étoiles massives, l'univers primordial.

Les premières ondes gravitationnelles ont été détectées le 14 septembre 2015. Il s'agissait de la fusion de deux trous noirs (29 et 32 MS) situés à 1,3 milliards d'années-lumière. Le trou noir résultant a une masse de 62 MS, les 3 MS manquantes ont été converties en ondes gravitationnelles.

L'ESA a pour projet de construire un interféromètre géant constitué de trois satellites formant un triangle équilatéral dont le centre suit l'orbite terrestre avec un retard de 20° sur la Terre et dont le plan est incliné de 60° par rapport au plan de l'écliptique.

Qu'il y avait-il avant ?

Les Grecs (ex : Epictète) pensaient que le Cosmos était infini et éternel, mais aussi immuable, la question ne se posait donc pas. C'était aussi la conception de Spinoza. Depuis, on a appris que l'univers n'est pas immuable qu'il a une histoire, une origine le Big Bang et peut-être même une fin. A la question qui avait-il avant le Big Bang, on peut envisager trois grands types de réponse. 1) le big bang fait suite à un big crunch lui-même faisant suite à une big bang .. succession de big bang et de big crunch. Cela rappelle la nature cyclique de l'Univers dans certaines cosmogonies (bouddhisme). 2) la question n'a pas de sens. Hawking. Dans certaines théories le temps n'est pas une propriété fondamentale, mais émergente Gravitation quantique à boucles. 3) avant il n'y avait rien. Mais là il faut définir le rien. Si rien = vide, on sait que le vide est en fait le siège de fluctuations quantiques. Si rien = néant, il faut expliquer la transition entre le néant et quelque chose (pourquoi qq plutôt que rien) soit par l'intervention d'un Dieu ou d'un principe créateur, soit par le plus grand des hasards. On retrouve les grandes oppositions hasard / nécessité, mystère / absurde.

Le rayonnement Gamma

 Le rayonnement gamma est le plus énergétique du spectre électromagnétique. Les rayons gamma sont excessivement  puissants et extrêmement dangereux,  ils sont fort heureusement absorbés par l'atmosphère terrestre. Ils se forment lors des phénomènes de fusion nucléaire ou de radioactivité. 

Les pulsars (étoiles à neutrons à rotation rapide) émettent des rayons gamma de façon continue et régulière. Il existe aussi des sources non continues et brèves (bouffées") : les GRB/SGR (sursaut gamma rapides) longs sont émis par les supernovae et hypernovae, les GRB/SGR courts sont émis par la coalescence d'objets massifs (trous noirs, étoiles à neutrons), les GRB/SGR non classés sont émis par les disques d'accrétion des tous noirs supermassifs.

Les trous noirs

Les tous noirs sont une conséquence de la Relativité : déformation de l'espace-temps par les masses, vitesse de la lumière limitée à 300 000 km/s. Dans certains cas, la déformation est tellement importante que les photons ne peuvent plus s'échapper (vitesse de libération > vitesse de la lumière).

On distingue quatre types de trous noirs : 

1° les trous noirs stellaires. Ils correspondent au stade ultime de fin vie des étoiles de masse supérieure à 6 fois celle du soleil.

2° les trous noirs supermassifs. Ils occupent le centre des galaxies. Ils sont beaucoup plus gros que les trous noirs stellaires.. Celui de la Voie Lactée a une masse de 4 millions de  MS (celui de M87 6,5 milliards de MS et un rayon de 130 UA !)

3° les trous noirs intermédiaires. Ils n'ont pas été mis en évidence à ce jour. Ils occuperaient le centre des amas globulaires et auraient des masses de quelques centaines à quelques milliers de MS.

4° les trous noirs primordiaux. Objets encore hypothétiques, ils se seraient formés juste après le Big Bang. Ils sont minuscules (milliardième de mm).

Le rayonnement de Hawking propose que les trous noirs peuvent s'évaporer par émission de particules virtuelles au voisinage de l'horizon des événements.

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.