astronomie

module université
"de l'origine de l'univers
à l'origine de la vie"
1 Février
8 Février
15 Février
29 Février
7 Mars
14 Mars
21 Mars
28 Mars
4 Avril
11 Avril
18 Avril
: Histoire de l’Astronomie (1)
: Histoire de l’Astronomie (2)
: Structure de l’Univers
: Le Big Bang
: Petits corps du Système Solaire
: Système Solaire interne
: Système Solaire externe
: Météorites et Impacts
: Exobiologie
: Exobiologie
: EXAMEN
Marie-Claire Gazeau, mail : [email protected]
François Raulin, mail : [email protected]
planning et fichiers ppt du cours en ligne
http://www.lisa.univ-paris12.fr/ASTROP12/
Introduction
Astronomie-définition
Le mot "astronomie" provient de deux mots grecs: astron, qui
signifie "étoile", et nemein qui signifie "nommer"
C’est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer
leur origine, leur évolution, leurs propriétés physiques et chimiques.
La comète de Halley observé en 1074
Nébuleuse M17 :
photographie prise par le télescope Hubble.
Les connaissances que nous avons acquises en astronomie,
sont l'aboutissement de plusieurs siècles de réflexions, de
tâtonnements, de révolutions intellectuelles.
Il est aujourd’hui évident que la terre est ronde et qu’elle se meut dans
un univers immense.
Mais il a fallu longtemps pour arriver à concevoir cela en dépassant
bien des résistances, bien des superstitions, bien des dogmes
enracinés dans l’esprit humain.
L’histoire de l'astronomie est intimement liée
à la philosophie,
à la théologie
aux progrès de la technique
Historiquement, l'évolution de l'astronomie rencontra de
nombreux obstacles "épistémologiques", de "principes
divins" et de ce fait ne parvint que lentement à appréhender la
réalité du monde, bien différente de la "vérité" des manuels.
Les doctrines philosophiques ou politiques, les préceptes religieux
et la loi du bon sens accentuèrent l'obscurantisme pendant des
centaines d'années, de l'Extrême-Orient à l'Occident.
Histoire de l’astronomie
(1)
A) L’aube de l’astronomie
Remontons aux premiers hommes qui levèrent
la tête vers le ciel….
Voie lactée
Au temps où l'astronomie était
essentiellement un outil de
mesure du temps
I - DANS L’EUROPE DU NEOLITHIQUE
8000-1800 avant J-C:
PREMIERS REGARDS VERS LE CIEL
La “révolution néolithique”
= l’invention de l’agriculture et à la suite, de diverses
activités artisanales qui entraînèrent un extraordinaire
développement des échanges.
Ceci nécessite d’une part un calendrier pour organiser les
travaux agricoles et prévoir les fêtes religieuses qui y sont
généralement liées, et dautre part, un minimum de repères
pour les voyages, notemment pour la navigation.
L'astronomie et son histoire remontent à plusieurs millénaires.
Il est possible qu'elle ait pris naissance au paléolithique, à
l'époque où les premiers hommes préhistoriques de CroMagnon (~ 40000 avant J-C) s'interrogèrent sur leur avenir,
essayant de décrypter les messages inscrits dans le ciel. Le
cycle de la Lune fut probablement la première manifestation
qui dû les intriguer.
Le premier calendrier lunaire (décrivant les phases de la lune) de l'histoire :
un os sculpté du paléolithique.
Document Alexander Marshack/NGS.
L’homme de cro-magnon constate l’alternance des jours et des
nuits, que la place des astres n’est pas la même selon l’heure
ou selon les saisons.
C’est en observant le ciel qu’il se construit ses premiers
repères.
Les premiers monuments qu’il élève vers le ciel sont des
menhirs, vers 8500 avant J-C.
Ce sont peut-être des lieux de culte
au Soleil ou à la Lune.
En Italie, on trouve des
dessins gravés sur des roches,
représentant le disque du soleil,
des astres ou des constellations.
La présence dans diverses parties du monde de :
- mégalithe = monument constitué d’une ou plusieurs
pierres de grandes dimensions répartis en cercles, érigées
(ou levées) par les hommes, généralement au cours de la
préhistoire, sans l’aide de mortier ou de ciment pour fixer
la structure
et
- d'architectures semblables à des observatoires
astronomiques (orientations et alignements) témoignent
de l'intérêt que l'homme a porté, très tôt, à l'observation de
la voûte céleste.
L'observation du ciel était alors une tâche étroitement
associée aux religions (fêtes et cérémonies) et à la mesure
du temps (les jours, les lunaisons, les saisons et les
années) pour l'agriculture, par exemple
Les véritables prémices de l'astronomie remontent à
environ 2800 ans avant JC.
Carnac (Morbihan, France) :
quatre séries d'alignements de menhirs (pierres dressées), de
dolmens (chambres dont les parois constituées de menhirs sont
recouvertes d'une dalle) et de chromlechs (menhirs disposés en
cercle) qui s'étalent sur plus de 3.5 km dans la direction estouest. Leur orientation se trouve grosso modo dans la direction
du solstice d'été, où le Soleil se lève aux équinoxes.
.
Carnac constitue l'alignement
mégalithique le plus impressionnant
du monde : 3000 blocs de pierre
étendus sur plus de 4 kilomètres
Le monument de Stonehenge, en Angleterre, édifié entre
2800 et 1400 avant J-C, est un édifice de la
période néolithique.
Il s’agit de pierres géantes (mégalithes) dressées
verticalement et formant des cercles concentriques (le plus
grand formant 31 mètres de diamètre), avec, au milieu,
une construction qui était peut-être un autel religieux.
Ces pierres sont alignées en fonction de la position du
soleil et de la lune à certaines périodes de l’année.
Vue générale de Stonehenge
II - EN MESOPOTAMIE
La Mésopotamie est un terme qui vient du grec et qui signifie :
"entre les fleuves". Ces fleuves sont le Tigre et l'Euphrate.
Actuellement, la plus grande partie de la Mésopotamie se trouve en
République d'Irak.
3500-539 avant J-C :
LES CYCLES DE LA LUNE
2300 ans avant Jésus-Christ
En Babylonie (partie méridionale de la Mésopotamie) dont Babylone
était la principale ville.
Les Babyloniens accordent beaucoup d’importance à la
magie et à la divination (qui leur permet de prédire
l’avenir). Ils sont les inventeurs de ce qu’on appelle
encore aujourd’hui l’astrologie.
Ils s’intéressent donc particulièrement aux phénomènes
célestes ; ils pensent que les astres ont une influence
sur la vie humaine et que l’on peut prédire l’avenir en les
regardant.
Ils développent des connaissances très poussées en
mathématiques.
Sur leurs tablettes d’argile
(tablettes cunéiformes), ils
rédigent des éphémérides
(indications recueillies jour
après jour sur la position
des astres).
Ils élaborent vers 1500 avant J-C leur calendrier en
utilisant le cycle de la lune : l’année comprend douze
mois ou lunaisons. Le mois commence le soir où
apparaît un nouveau croissant de lune, juste avant le
coucher du soleil.
Les tablettes cunéiformes prouvent qu'ils savaient prédire
des événements tels que les éclipses avec une précision de
l'ordre de quelques minutes !
Les astronomes babyloniens sont des prêtres qui sont chargés de monter
la garde auprès du roi. Ils établissent le calendrier des travaux agricoles
et des fêtes religieuses qui rythme les activités et symbolise la régularité
et l’ordre du monde.
Ils recueillent leurs informations dans des temples-observatoires, les
« Ziggourats », tours carrées à sept étages dont on a retrouvé les ruines
dans plusieurs grandes villes. Celle de Babylone est mentionnée dans la
bible sous le nom de « Tour de Babel », symbole de la présomption des
hommes qui croient ainsi atteindre le ciel et en connaitre les secrets.
La tour vue par
Pieter Bruegel l'Ancien
au XVIe siècle
Ils n’ont pas cherché d’explication scientifique aux phénomènes
astronomiques ni a leur retour périodique car cela aurait signifié la fin de
leur pouvoir.
L’image du monde pour les babyloniens :
La Terre est un disque flottant sur l’océan.
Au centre, se trouve Babylone.
Au dessus, le ciel, où réside le grand dieu AnouU;
En dessous, les enfers.
Cette disposition verticale reflète la hiérarchisation de
la société, qui place au sommet du monde le dieu
suprême, comme la société place le roi au dessus des
hommes.
III - EN EGYPTE
3100-1000 avant J-C :
LE DIEU-SOLEIL
en - 3100, les égyptiens inventent l’une des toutes premières
écritures du monde : les hiéroglyphes.
Leur conception de l’univers est fondée sur l’observation des
astres et les calculs mathématiques.
La vie des Egyptiens est réglée sur le Soleil et sur le fleuve
du Nil : il faut prévoir, pour la gestion de leur agriculture, les
crues du Nil et pour cela étudier les mouvements des astres. Ils
inventent donc le calendrier de 365 jours qui divise l’année
en trois saisons : l’Inondation, les Semailles (l’hiver), les
Récoltes (l’été), et en douze mois de trente jours - auxquels on
ajoute cinq ou six jours supplémentaires en fin d’année pour
coïncider avec l’année solaire.
Mais les Egyptiens s’aperçoivent que ce calendrier officiel
(surtout destiné aux fêtes liturgiques) retarde d’un jour tous les
4 ans ; c’est pourquoi, vers 2000 avant J-C, ils inventent un
autre calendrier destiné à la vie quotidienne et fondé sur les
décans (10 heures entre le lever et le coucher du soleil + 1
heure pour l’aube et 1 pour le crépuscule).
Cet autre calendrier commence en juillet. La journée est
divisée en 24 heures. Les Egyptiens se servent des étoiles pour
fixer la fin de la nuit.
Les égyptiens ont une bonne connaissance des étoiles et
des planètes :
- Ils remarquent que les étoiles peuvent être regroupées en
constellations [Une constellation est un ensemble d'étoiles
suffisamment proches pour qu'une civilisation donnée ait décidé de
les relier par des lignes imaginaires, traçant ainsi une figure sur la
voûte céleste]. Ainsi, le conduit qui, dans les pyramides, mène à la
chambre du roi, pointe en direction de la constellation d’Orion. Ils
ont distingué d’autres constellations comme La grande Ourse ou
Cassiopée
- Ils connaissent aussi les cinq planètes les plus proches de nous :
Mars, Vénus, Mercure, Jupiter et Saturne.
Vers 1500 avant J-C, leur calendrier tient compte à la
fois des cycles du Soleil et de la Lune.
B) VERS L’ASTRONOMIE
SCIENTIFIQUE :
LE GEOCENTRISME DES GRECS
ET DE LEURS HERITIERS
(Xe siècle avant J-C-XVe siècle après J-C)
L’astronomie va au delà de la description
des apparences. Elle cherche :
- à découvrir des lois sous-jacentes,
- à élaborer une explication rationnelle
du monde
- à trouver un ordre dans l'univers
Thalès
Grec, -625/-547
Philosophe, il a acquis son savoir auprès des babyloniens et
des égyptiens, se pose le premier la question fondamentale
de l'origine et de la nature des choses : comment l'Univers
s'est-il formé? De quoi est-il fait?
Il pense que c'est l'eau, qui, en se condensant, donne la
terre, et qui, en s'évaporant, donne l'air….
Il pense que la Terre est plate et qu’elle flotte sur l’eau sous
la sphère céleste…
Platon
Pour se représenter les « phénomènes » célestes,
Grec, -426/-346 le philosophe Platon, esprit essentiellement
religieux, croit possible de réduire leur désordre
apparent à des mouvements réguliers et
mathématiquement énonçables. Dans un
monde harmonieux, résultat de l’action
organisatrice de la pensée divine, les corps
célestes ne peuvent être que des sphères et ne
peuvent décrire que des cercles, courbes parfaites
sans commencement ni fin, avec une vitesse
uniforme.
La Terre est au centre, et autour d'elle tournent les planètes
dans un mouvement circulaire.
C’est à lui que l’on doit le terme cosmos pour désigner le monde,
il est alors le synonyme d’un univers majestueux et imposant,
régi par l’esthétisme, l’ordre, l’harmonie.
EUDOXE de Cnide
grec, -406/-355
Elève de Platon. Dans sa théorie, le monde est basé sur des
sphères homocentriques : tous les objets du ciel (étoiles,
planètes, Soleil, Lune) sont posés sur des sphères cristallines
transparentes qui tournent de manière uniforme et qui sont
ingénieusement axées pour expliquer les mouvements non
linéaires des planètes.
Au total il y a dans son système
une vingtaine de sphères qui
tournent autour de la Terre et qui
portent tous les objets.
Aristote , Grec, -384/-322
Disciple de Platon, il est un grand savant de l'Antiquité.
(plusieurs dizaines de livres abordant aussi bien l'astronomie,
la physique que la botanique ou la médecine).
Il va, en particulier, développer un modèle physique, fondé sur
l'observation et la perception intuitive des phénomènes dont
l'influence sera déterminante pour les siècles à venir.
Pour Aristote, les objets inanimés ont 2 types de mouvements :
le naturel (valable pour les corps lourds ou légers) et le violent
(qui nécessite une cause).
Le modèle d’Aristote dit que la matière est
composée des quatre éléments : eau, air, terre
et feu.
Pour Aristote :
1) la Terre est immobile au centre de l'Univers
2) il y a séparation absolue ente le monde terrestre
imparfait et changeant et le monde céleste parfait et
éternel (la limite étant l'orbite de la Lune)
3) les seuls mouvements célestes possibles sont les
mouvements circulaires uniformes.
4) La Terre est entourée de 10 sphères
concentriques en cristal.
Ces sphères portent les planètes
et les étoiles.
Pour Aristote (suite) :
5) La Terre est sphérique
Si ses prédécesseurs grecs l’avaient déjà évoqué parce que
«la sphère est la plus belle de toutes les figures
solides », c’est Aristote qui avance dans son " Traité du
ciel " des arguments pour justifier cette théorie :
-
la forme circulaire de l’ombre
projetée par la Terre sur la
surface de la Lune
lors des éclipses de Lune
- le fait qu’un voyageur se déplaçant du Nord vers le Sud
voit disparaître certaines constellations tandis que de
nouvelles s'élèvent
- la Terre doit être sphérique pour des raisons de
symétrie et d’équilibre.
ARISTARQUE de Samos
grec, -310/-230
Astronome et mathématicien, Aristarque, dans son ouvrage
intitulé "Sur les dimensions et les distances du Soleil et de la
Lune", est le premier à tenter d'évaluer le diamètre du
Soleil et de la Lune et leur distance par rapport à la
Terre, en introduisant les premières notions de calcul
trigonométrique. Il émit, grâce à ses calculs, l'idée d'une
Terre tournant sur elle-même, autour du Soleil = première
évocation du modèle héliocentrique !
ERATOSTHENE de Cyrène
grec, -284/-192
Astronome, géographe, mathématicien et philosophe.
Il se distingua par son remarquable calcul de la
longueur du méridien terrestre ≡ circonférence de la
Terre qu’il estima à 40349 km à comparer aux 40074
km actuellement mesurés !
Il remarque qu'au solstice d'été, le soleil
est au zénith à Assouan (Syène à
l'époque) puisque ses rayons pénétraient
dans les puits les plus profonds, tandis
qu'à Alexandrie, situé sur le même
méridien, l'ombre d'un obélisque
montrait que les rayons solaires étaient
inclinés de 7°12' par rapport à la
verticale.
Ptolémée 100/170
Grec mais vivant à Alexandrie en Egypte
astronome, géographe et mathématicien, il écrit un traité
d'astronomie nommé l'Almageste qui contribuera à faire
admettre pendant plus de quatorze siècles l´idée erronée que
la Terre était immobile au centre de l´univers.
Peinture réalisée en 1660
L'univers géocentrique de Ptolémée :
la Terre est au centre de l'Univers,
la Lune, le Soleil et 5 étoiles errantes tournent autour d'elle.
Les étoiles du firmament sont fixées sur une sphère au-delà de
l'orbite de Saturne.
Univers géocentrique :
La Terre était immobile et fixe au centre
de plusieurs sphères de rotation.
Ces sphères portaient les corps célestes
suivants (dans l'ordre à partir de la
surface externe de la Terre): la Lune,
Mercure, Vénus, le Soleil, Mars, Jupiter,
Saturne (les seuls connus jusqu’à lors car
VISIBLES A L’ŒIL NU) et, enfin, la
sphère la plus éloignée, dite sphère des
fixes, car elle porte les étoiles supposées
alors immobiles.
Cette dernière sphère était supposée
osciller lentement, entraînant ainsi la
précession des équinoxes
C) L’ASTRONOMIE MODERNE
OCCIDENTALE
DE L’HELIOCENTRISME A LA
PHYSIQUE DES ASTRES
(XVIème-XXème siècle)
1543
Nicolas Copernic (1473-1543)
scientifique polonais
Il place le Soleil au centre de l'Univers
et non la Terre
modèle héliocentrique
Copernic publie sa conception du monde dans l'ouvrage :
"De Revolutionibus Orbium Coelestium" en 1543, l'année de
sa mort.
Ses idées marquent le déclin des conceptions géocentriques
du monde :
- Copernic fait du Soleil, le centre, non seulement du
système solaire, mais de l'Univers tout entier
- La Terre apparaît dans son système comme une
planète comme les autres qui tourne sur elle-même et
qui tourne autour du Soleil.
Pour Copernic, les orbites des planètes
sont circulaires et coplanaires
L'Univers de Copernic. Peinture réalisée en 1660
Selon Copernic :
-la Terre tourne sur elle-même et fait un tour sur son axe en
une journée. Elle fait le tour du soleil en un an. Elle oscille sur
son axe tout comme une toupie, ce qui explique la précession
- les autres planètes font la même chose que la Terre : elles
tournent toutes autour du soleil.
1572
Tycho Brahe (1546-1601)
Observateur danois hors pair, le plus grand observateur du
ciel à l’œil nu.il construisit des instruments de précision de
mesure inégalée (2 minutes de degré).
Il fit un travail impressionnant par la masse et la précision de
ses observations.
Il publie un catalogue comprenant 777 étoiles.
Instrument de mesure de
positions utilisé par Tycho
Brahé ≡ instrument de visée
sans optique :
l´astre est vu à l´œil nu, il
doit être brillant…
des choses étranges dans le ciel…
il observa en 1572 une supernovae dont la position ne variait pas dans
le ciel : il s’agissait bien alors d’une nouvelle étoile et d’un phénomène
se déroulant très loin de la sphère terrestre…
Entre le 13 Novembre 1577 et le 26 Janvier 1578, Tycho Brahé observe
une comète et estime sa distance à plus de 230 rayons terrestres. Il
l’envoie ainsi au-delà de l’orbite de la Lune, lui fait traverser les
différentes sphères du monde réputé pur et immuable, remettant ainsi
sérieusement en cause les à priori métaphysiques qui prévalaient
jusqu’alors.
Il écrit en 1588, à partir de ses observations de comètes, que « la
machine du ciel n’est pas un corps dur et impénétrable rempli de sphères
réelles comme cela a été cru jusqu'à présent par la plupart des gens. Je
prouverai que le ciel s’étend dans toutes les directions, parfaitement
fluide et simple, sans présenter nulle part le moindre obstacle. »
Tycho Brahé est à l’origine du modèle géohéliocentrique :
Inspiré par les idées de Copernic, mais refusant que la
Terre puisse bouger, Tycho Brahé a pour hypothèse un
système un peu plus compliqué - le Soleil tourne autour de
la Terre (car c'est ce que l'on croit observer depuis la Terre),
mais il accepte que les autres planètes tournent autour du
Soleil.
Il refuse donc que la Terre ne puisse pas être le centre
du monde.
1596
Johannes Kepler (1571-1630)
Astronome allemand
Il défendit le système de Copernic.
C'est un des premiers physiciens expérimental, il ne base pas ses
théories uniquement sur de l'intuition et de la géométrie, mais sur des
lois physiques. Il fait en quelque sorte naître l'astrophysique.
C'est en étudiant les nombreuses observations de Tycho
Brahé relatives à la trajectoire de la planète Mars, qu'il dut
renoncer à voir dans l'explication de l'harmonie céleste la
présence platonicienne des fameux polyèdres réguliers.
Il découvrit alors les célèbres lois sur le mouvement des
planètes (1609-1619) : les planètes décrivent des ellipses et
non des cercles.
Lois de Kepler : elles concernent les mouvements des
planètes autour du Soleil
- chaque planète décrit une ellipse dont le
Soleil occupe un des foyers (1596)
-Loi des aires (1609): les aires décrites par
le rayon vecteur planète-Soleil sont
proportionnelles aux temps employés à les
décrire
- loi des périodes (1619) : les demi-grands
axes a et les périodes de révolution T de
toutes les planètes sont reliées
Ces lois sont purement descriptives. Cela signifie qu’elles sont
empiriques, Képler les ayant déduites des observations seules. Elles ont
été démontrées plus tard par Newton dans le cadre de sa théorie de la
gravitation universelle