Quelques rappels sur l’univers

amas d'étoiles des Pléiades

amas d'étoiles des Pléiades

Petit voyage dans l’univers, du plus grand au plus petit.

Rappel : l’année lumière est une mesure de distance: c’est la distance parcourue par la lumière en un an, sachant que la lumière se propage à 300 000 km/seconde

Plus de 12 milliards d’années-lumière

On peut imaginer qu’en ayant des moyens d’observations suffisamment puissants, on pourra, en regardant assez loin, remonter le temps jusqu’aux débuts de l’univers.

On ne pourra jamais voir le Big bang de même qu’on ne peut pas voir l’intérieur du Soleil. On espère un jour voir l’instant où la matière émerge du formidable rayonnement des instants qui ont suivi le Big bang.

Depuis le Big bang, l’Univers s’est dilaté et refroidi. Un témoin subsiste de ce grand choc, un rayonnement fossile, le fond cosmologique.

Les mesures du fond cosmologique par le satellite COBE puis par la sonde WMAP ont permis d’estimer l’âge de l’univers à 13,7 milliards d’années.

Quelques milliards d’années-lumière

Pour observer des astres à ces distances, il faut qu’il soient particulièrement lumineux; c’est le cas des quasars, jusqu’à 10 000 fois plus lumineux que des galaxies normales.

Les quasars sont si loin de nous qu’ils semblent s’éloigner de nous à des vitesses de l’ordre de 240 000 à 270 000 km/seconde du fait de l’expansion de l’univers. En fait ils ne se déplacent pas dans l’espace à ces vitesses (pas plus que notre propre Galaxie, qui vue depuis un quasar, semblerait s’en éloigner à des vitesses du même ordre) ils sont « pris » dans l’espace qui se dilate.

100 millions d’années-lumière

(mille milliards de milliards de km!)

C’est la distance des autres amas de galaxies les plus proches de l’amas dans lequel se trouve notre Galaxie (Amas local).

Dans l’univers, les galaxies semblent toujours regroupées par deux ou par centaines dans des amas gigantesques de diamètre  15 millions d’années-lumière environ.

Les galaxies d’un amas se trouvent relativement toutes à la même distance de nous comme les fourmis d’une fourmilière vue de loin; on peut donc comparer leurs tailles et leurs luminosité sans avoir à corriger l’observation pour tenir compte des différences de distances. L’existence des amas a donc permis aux astronomes de mieux comprendre les galaxies.

2 millions d’années-lumière: la Galaxie d’Andromède

galaxie spirale

galaxie spirale

Une grande Galaxie spirale qui ressemble à la nôtre. De la Terre,  on la voit de trois quart alors qu’on ne peut voir que la tranche de la galaxie dans laquelle nous nous trouvons. Ainsi notre Galaxie nous apparait dans le ciel comme un ruban d’étoiles et de lumière diffuse: la Voie lactée.

La Galaxie la plus proche de la nôtre: le grand nuage de Magellan à 170 000 années-lumière et son compagnon le petit nuage de Magellan. Ces deux galaxies irrégulières tournent sans doute en orbite autour de notre Galaxie. Ils sont les compagnons de notre Galaxie comme on en voit souvent à d’autres galaxies.

La Galaxie la plus éloignée de nous dans l’amas local est située à un peu plus de 3 millions d’années-lumière.

3 000 années-lumière

Pulsar dans l'amas du Crabe

Pulsar dans l'amas du Crabe

Entre 1 000 et 3 000 années-lumière, ce sont les distances auxquelles on observe les grandes nébuleuses de notre Galaxie: Orion, le Crabe.

4 années-lumière

Dès que l’on veut sortir du système solaire pour chercher les objets les plus proches de nous, il faut observer à une distance 300 000 fois plus grande que celle de la Terre au Soleil.

L’étoile la plus proche de nous Proxima du Centaure est à 4,3 années-lumière: plus de 40 000 milliards de km. Si on représente le Soleil par une sphère de 1 mm de diamètre, il faudrait placer Proxima à 30 km.

Ce qui est étonnant, c’est la richesse de connaissances que les astronomes sont arrivés à acquérir sur les étoiles dont les télescopes les plus puissants ne donnent comme images que des points lumineux rendus flous par la diffraction et la turbulence atmosphérique. L’envoi de sondes dans l’espace a permis de s’affranchir de cet inconvénient.

La condition indispensable de la connaissance des étoiles est la mesure de leurs distances.

Dans l’état actuel de la technique, il est totalement irréaliste de penser envoyer des sondes et encore moins des vols habités explorer d’autres systèmes planétaires, même autour des étoiles les plus proches. Aujourd’hui, nous savons qu’ils existent : il y a un peu plus de 20 ans, on soupçonnait qu’ils existaient mais on n’en avait jamais observé: à grande distance, les systèmes d’observation sont « éblouis » par la lumière de l’étoile autour de laquelle tourne les planètes. Les astrophysiciens ont su contourner le problème et nous savons maintenant que ces planètes existent bel et bien.

Le noir de la nuit

En pleine nuit, il devrait faire plein jour.

Pourquoi ne fait-il pas plein jour?

Halley avait soulevé ce problème dès 1720. Si l’univers est infini et uniformément peuplé d’étoiles, comme le nombre d’étoiles  augmente comme le cube du rayon et la perte de photons diminue comme le carré du rayon, lorsqu’on regarde 2 fois plus loin, on reçoit 4 fois moins de lumière mais il y a 8 fois plus d’étoiles dans le volume observé. Il devrait faire jour. Le ciel nocturne devrait être aussi brillant que le Soleil.

Une des premières explication avait été que les poussières interstellaires absorbaient la lumière. Cet argument ne tient pas car les poussières elles-même, chauffées par un rayonnement aussi intense, à l’équilibre, réémettraient un rayonnement qu’on devrait détecter, ce qui n’est pas le cas.

Une seconde suggestion a été de dire qu’il n’y avait pas de galaxies au-delà d’une certaine distance ce qui est contredit par les observations.

Pourquoi donc ne fait-il pas jour?

illustration du paradoxe d'Olbers

illustration du paradoxe d'Olbers

C’est l’astronome allemand Olbers qui a développé l’idée. Mais il n’avait pas les éléments pour résoudre le problème qui, à l’époque est donc resté sous le nom de paradoxe: le paradoxe d’Olbers.

L’univers est en expansion et il est fini temporellement, les galaxies distantes fuient à des vitesses proches de celle de la lumière: les photons qui nous en parviennent sont décalés vers le rouge, c’est à dire vers les grandes longueurs d’ondes moins énergétiques. Si  on étend la relation de Hubble aux très grandes distances, on arrive, vers 13,7 milliards d’années-lumière à des vitesses de récession qui vont dépasser la vitesse de la lumière (horizon relativiste), ce qui est impossible et même si ça l’était, leur lumière ne nous parviendrait donc jamais puisqu’elle vont plus vite que la lumière qu’elles nous envoient.

La masse cachée

Le fonds cosmologique présente une petite dissymétrie due au mouvement de la Terre vers le Grand Attracteur. Ce mouvement est la composition du mouvement de l’amas dans l’univers, de la Galaxie dans l’amas, du Soleil dans la Galaxie et de la Terre autour du soleil. Mais à grande échelle notre Galaxie se dirige irrésistiblement, à 600 km/secondes vers un point qu’on a appelé le Grand Attracteur où il pas de matière visible. C’est l’un des phénomènes qui fait soupçonner l’existence de masse cachée ou masse noire dans l’Univers.

Quand on reconstitue les mouvements des galaxies à l’intérieur des amas (avec la limitation de la ligne de visée), il manque un facteur 10 de masse visible par rapport à la masse qui détermine ces mouvements.

La proportion de masse visible serait donc très faible

Il existe une masse critique pour que l’univers de soit ni en expansion indéfinie, ni en effondrement, pour qu’il soit à la limite de la fermeture (elliptique).

Or la masse visible des galaxies est de 5 pour 1000 de la valeur nécessaire; dans les amas, elle est de 5 pour 100

Les hypothèses actuelles sont les suivantes:

L’étude des courbes de rotation des galaxies spirales (mesurées par effet Döppler)

montrent une rotation solide au centre puis une vitesse de rotation angulaire qui croît.

On en déduit que la masse continue à croître au delà du bord visible de la galaxie. Il existerait donc des halos géants autour des galaxies qui auraient une masse de 10 fois celle de la galaxie.

La nucléosynthèse montre qu’on ne peut pas avoir plus de 10% de la masse critique sous forme de masse baryonique, sinon il n’y aurait pas autant d’Hydrogène et d’Hélium.

Reste encore un facteur 10 pour trouver toute la masse cachée : les cosmologistes franchissent le pas, le reste de la masse cachée est sous forme non baryonique: neutrinos, particules exotiques.

Big Bang

En 1927, l’astrophysicien belge Georges Lemaître se dit que si les galaxies s’éloignent les unes des autres, il y a probablement eu un moment dans le passé où elles étaient proches les unes des autres, si proches que l’Univers devait être concentré en un point de densité quasi infinie. Ce moment est supposé être la création de l’Univers, il y a 13,7  milliards d’années.

Dans les 3 premières minutes de l’Univers, la matière et le rayonnement sont liés en en équilibre thermodynamique, ils se transforment sans cesse l’un en l’autre maintenant une température constante puis, la matière se dissocie du rayonnement elle se refroidit plus vite que le rayonnement.

Quand on découvre le fond cosmologique à 3° K, on sait qu’on vient de découvrir le rayonnement fossile qui a été produit au moment du big bang et qui s’est dilaté pour arriver jusqu’au domaine de longueur d’onde centimétriques (1 cm).

1 million d’années après le big bang,  du fait de l’expansion, la température décroit et tombe à 3000 °C,  les électrons sont captés par les noyaux d’Hydrogène et interagissement moins avec le rayonnement, la matière est bien séparée du rayonnement, elle est en expansion mais aussi capable de s’effondre sur elle-même par gravité.

Les premières galaxies  se forment.

Le big bang n’est pas ponctuel, il est infini; il ne s’est pas produit en un point précis de l’univers. Le big bang est tout l’univers.

Tout point est au centre, c’est dire qu’il n’y a ni centre ni bord (chaque point sur un ballon qu’on gonfle peut se croire au centre puisque plus un point est loin, plus il semble s’éloigner rapidement; chaque point est au centre des vitesses, donc se croit au centre.

L’Univers

Structure de l’Univers

1 milliard d’années après le Big bang plus tard, la matière n’était plus homogène, les galaxies étaient déjà formées ce qui suppose que l’univers soit plus dense que ce qu’on observe.

En fait l’univers est très inhomogène à très grande échelle: les galaxies ont l’air de se regrouper sur un « filet cosmique », espèce de structure de 200  millions d’années-lumières de longueur où plein de galaxies avec plein de vide devant et derrière.

Âge de l’Univers

L’âge de l’Univers et les  distances des objets très lointains ne sont pas mesurables directement et dépendent du modèle d’Univers choisi.

A ces distances là, on utilise l’expansion de l’Univers: on regarde où en est l’Univers aujourd’hui et on remonte le film à l’envers. Mais tout cela dépend du modèle cosmologique: le film a-t-il toujours été tourné à la même vitesse: la constante de Hubble or l’univers a-t-il été décéléré de façon constante? Sûrement pas, sinon certaines galaxies lointaines iraient plus vite que la lumière ce qui est impossible.

Entre les astres

Malgré les milliards de milliards d’étoiles et de galaxies, un vaisseau lancé au hasard dans le cosmos n’a aucune chance de rencontrer un astre et encore moins une planète bleue habitée par des êtres intelligents…Pourtant dans ce cosmos presque vide et obscur, on trouve le gaz qui donne naissance aux étoiles et des rayonnements de toutes sortes.

L’univers n’est-il qu’une fluctuation du vide?

L’Univers n’est-il qu’une petite partie de l’Univers entier?

L’échantillon que nous en avons est-il suffisamment représentatif du Tout.

Existe-t-il d’autres mondes habités?

Y a-t-il un anti-univers à côtés du nôtre?

Notre imagination est toujours un cran en retard par rapport à la richesse du réel. Mais en revanche on découvre chaque jour que la physique et la chimie terrestre s’applique à l’ensemble de l’Univers.

Formation des galaxies

Selon la théorie du Big Bang, les densités de rayonnement et de matière décroissent au moment  où la matière émerge explosivement après les premiers instants. En très peu de temps, quelques milliers d’années, la densité de matière devient supérieure à celle du rayonnement. Après quelques millions d’années, la température et la densité étaient telles qu’une contraction gravitationnelle peut avoir lieu dans des nuages de gaz plus denses que les autres. Ainsi commence la formation des galaxies. Dans certains cas, les nuages deviennent aussi gros qu’un amas entier de galaxies. Dans les larges amas, les galaxies ont leurs axes de rotation alignés ce qui fait penser qu’elles se sont formées par fragmentation d’un unique nuage gigantesque.

Amas de galaxies

Les galaxies ne sont pas réparties uniformément dans l’Univers mais sont regroupées en amas. Notre Galaxie fait partie d’un amas: le Groupe Local.

Les groupements de galaxies vont de la paire de galaxies en interaction à des amas de quelques centaines voire de milliers de galaxies comprenant des spirales, des irrégulières et des elliptiques sur une distance de 15 millions d’années lumière environ.

Le regroupement en amas permet aux astronomes de mieux comprendre les galaxies car toutes les galaxies d’un même amas sont relativement à la même distance de nous.

Certains amas sont si immenses que malgré leur distance de parfois près d’un milliard d’années-lumière, ils ont un diamètre angulaire de l’ordre de celui de la Lune (mais on ne peut bien sûr pas les voir à l’oeil nu).

La voie lactée

La voie lactée en infra-rouge

La voie lactée en infra-rouge

Pour les Anciens, la Voie lactée était les exhalaisons de la Terre; l’haleine de la Terre se met en ruban autour d’elle.

Heschell est le premier à montrer que notre Galaxie est constituée d’étoiles et que le Soleil en fait partie.

En 1920, nait une grande controverse: les nébuleuses spirales font-elles partie de notre univers ou sont-elles des univers en elles-mêmes,  ce qui recule les limites de l’univers.

En 1920, l’idée qui prévaut est que les galaxies spirales font partie de notre Galaxie. Un astronome connu avait même cru voir des mouvements propres.

Dès qu’on regarde la voie lactée à la lunette, on voit que la soit disant vapeur est en fait un ensemble d’ étoiles non résolues; les astronomes en déduisent que le système solaire doit appartenir à un vaste système d’étoiles organisé en une structure plate.

Il faut attendre les grands télescopes pour voir la structure des autres galaxies comme Andromède ou les chiens de chasse.

Les étoiles

supernova Vela

supernova Vela

Les étoiles, gigantesques machines thermonucléaires.

Pendant la partie stable de leur vie (séquence principale) où elles transforment l’Hydrogène en Hélium, l’éventail de taille des étoiles n’est pas très grand, mais dans les périodes de formation et de mort, il est impressionnant: de 10 km pour les étoiles à neutrons à 700 millions de km pour les Supergéantes.

Éventail de masse: de 0,5 masses solaires à 30 à 60 masses solaires pour les étoiles Wolff Rayet.

Il ne semble pas qu’il puisse exister des étoiles beaucoup plus massives car la pression de rayonnement y serait supérieure à la gravitation: le système serait instable.

L’étoile la plus proche de la Terre est le Soleil, étoile banale qui se trouve dans sa longue phase stable, solitaire, alors que beaucoup d’étoiles sont double ou multiples.

66 000 fois plus loin que le Soleil, Proxima du Centaure, à une distance de 4 années-lumière, appartient à un système triple: 2 étoiles tournant l’une autour de l’autre et Proxima tournant autour des deux premières.

Planètes

Les planètes sont des corps qui n’émettent pas eux-même de lumière mais sont éclairés par l’étoile autour de laquelle elles gravitent. On suppose qu’il existe de très nombreuses planètes dans l’Univers étant donnée la manière dont se forment les étoiles. Depuis quelques années, on sait les détecter.

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