L`année-lumière - site de Jean

TOUT l'UNIVERS tient
dans notre (petite) TÊTE !
Ordres de grandeurs des objets astronomiques
et de leurs distances
1
Quelles sont les unités de distance
utilisées en astronomie ?
2
Les distances sont des longueurs

Les anciennes unités de longueurs s’appelaient le
pied…
Dont la longueur dépend de beaucoup de facteurs…
3
Quelques définitions du pied :
Le pied est une unité de longueur
d’approximativement 30 centimètres, correspondant à
la longueur d’un pied humain d’une pointure 45
environ.



Dans l’Antiquité, le pied était régulièrement divisé en seize doigts ou quatre
paumes. Le pied romain était de 29,64 cm.
Depuis le Moyen Âge, on commença à diviser le pied par douze, ce qui
donna le pouce. Le pied du Roy de France était de 32,48 cm (pointure 48¾)
et le pied anglo-saxon est de 30,48 cm.
Source : wikipedia
4

Le pied anglais du système d'unité impérial est une unité de
mesure directement déduite des systèmes de l'Antiquité.
Le pied anglais vaut – du moins en théorie – exactement le
16/28 d'une mesure connue dans l'Antiquité appelée « pechys
basilikos ». Cela correspond au 36/35 du pied romain ou encore
au 15/16 du pied français.



Bref… tous ces pieds, c’est casse-pied…
un véritable casse-tête quand on va d’un pays à l’autre
Heureusement … on a eu les Lumières du XVIIIe siècle………….
Source : wikipedia
5
Ils ont utilisé la mesure de la Terre
6
Dans le monde scientifique, y compris aux Etats-Unis
depuis 1996, le système métrique décimal (SI) est
aujourd'hui le système de référence.
Le mètre du 36 rue de Vaugirard, un des 16 étalons gravés dans le marbre et mis en
place dans Paris en 1795 pour familiariser la population avec la nouvelle unité

Le mètre fut officiellement défini pour la première fois
en 1790 par l’Académie des Sciences comme étant la
dix-millionième partie d'un quart de méridien terrestre
La barre de platine iridié utilisée comme
prototype du mètre de 1889 à 1960
7
d'où l’on déduit que la Terre a une
circonférence de 40 000 km
8
Son diamètre est donc égal à …
9
Alors que le diamètre de la Lune vaut
3500 km
10
en diamètre la Lune est environ 3,6 fois plus
petite que la Terre
11
la Lune est à une distance de….
……384 000 km……..

C’est environ 30 fois le diamètre de la Terre
12
On récapitule
Lune
Distance Terre-Lune
384 000 km
Terre
Diamètre :
3500 km
Diamètre : 12 700 km
13
Le système Terre-Lune filmé par une sonde
Mariner dans les années 1970
14
Jusqu’ici on a utilisé comme unité
de distance le kilomètre

C’est encore avec le km qu’on exprime
les diamètres de toutes les planètes
15
Les quatre planètes telluriques
mercure
vénus
mars
4 900 km
12 100 km
………
6 800 km
16
Les quatre géantes gazeuses
(diamètres)
50 500
km
138 000 km
49 100 km
115 000 km
2 300 km
2 400 km
(planètes naines)
17
Et le soleil ?
1 400 000 km
C’est énorme !
C’est 110 fois le diamètre
de la Terre
mais en volume 1 300 000 fois
celui de la Terre
c’est pourtant une étoile naine…
18
La distance du Soleil à la Terre
………………………
19
150 000 000 km


150 millions de km
C’est 400 fois la distance Terre-Lune
20
Distances au Soleil des autres planètes

En millions de kilomètres
21
On voit qu’après Jupiter, ces distances sont de
l’ordre du milliard de km

Les astronomes préfèrent utiliser une
nouvelle unité plus commode à l’intérieur
du système solaire
Cette unité s’appelle l’Unité Astronomique,
dont le symbole est UA en français, et AU
chez les anglosaxons
Elle vaut 150 000 000 km
22
La distance Terre-Soleil varie un peu au cours de
l’année
L’orbite de la Terre est une ellipse quasiment circulaire
comme le montre ce dessin à l’échelle
La distance Terre-Soleil varie entre 147 545 686 km
et 152 098 847 km
23
Plus exactement

L’unité astronomique (symbole ua) correspond à la
distance moyenne entre la Terre et le Soleil.

Elle vaut exactement : 149 597 870 ,691 km ± 30 m.

On retient qu'une unité astronomique mesure environ
150 millions de kilomètres.

Cela représente un parcours d'une durée d'un peu
plus de 8 minutes à la vitesse de la lumière.
24
Avec cette unité, la distance de la Terre au Soleil vaut 1
40
30
19
9,5
5,2

Si on exprime les autres distances en UA, cela permet
de les comparer à la distance Terre-Soleil
1
0,4
1,5
0,72
25
On récapitule









* Mercure : 0.4 ua
* Vénus : 0.72 ua
* Terre : 1 ua
* Mars : 1.5 ua
* Jupiter : 5.2 ua
* Saturne : 9.5 ua
* Uranus : 19.2 ua
* Neptune : 30 ua
* Pluton : 39.4 ua
26
Le système solaire s’étend bien au-delà
de Pluton



On sait qu’entre Mars et Jupiter existe une
ceinture d’astéroïdes (dite ceinture principale),
entre 2 et 3 UA du Soleil.
Il y en a une autre située juste après l’orbite de
Neptune, nommée la ceinture de Kuiper, entre
30 et 55 UA du Soleil.
Il en existe une troisième beaucoup plus
éloignée du Soleil, appelée le nuage de Oort, et
qui s’étendrait jusque vers 150 000 UA du Soleil. 27
La ceinture principale
28
La ceinture principale
29
La ceinture de Kuiper et le
nuage de Oort
30
Vue d’artiste, dans la ceinture de Kuiper
31
Copy site Ciel&Espace
Le nuage de Oort
32
Le nuage de Oort a une forme complexe
150 000 UA, c’est une distance qui est de l’ordre de
grandeur de celle qui est parcourue par la lumière en une
année
33
L’année-lumière
L’année-lumière (symbole al) est une unité de distance utilisée en
astronomie.

Une année-lumière est la distance parcourue par un photon (ou plus
simplement la lumière) dans le vide, en une année julienne (365,25 jours ).

La vitesse de la lumière dans le vide étant de 299 792 458 m/s, une annéelumière vaut en km :


299 792 × 86400 × 365,25
(car il y a 86 400 s dans un jour)

Le résultat est 9 460 730 472 580 km ≈ 9 460 milliards de km

On retient qu’une année-lumière vaut environ 10 000 milliards de km.
34
Avec cette unité, le nuage de
Oort s’étend jusqu’à

150 000 × 150 000 000 km = 22 500 milliards de km

C’est-à-dire en al : 22 500 / 9 500 = 2,3 al
Or les étoiles les plus proches du soleil sont situées à
environ 4 AL.
On voit que ce nuage est aux confins de notre
système solaire, et que les objets qu’il contient sont
aussi sous l’influence gravitationnelle des étoiles
35
voisines.
Encore une nouvelle unité :
le parsec…

L'année-lumière est rarement utilisée par les [astronomes
professionnels, qui préfèrent le parsec (symbole pc).

Un parsec équivaut à 3,26 années-lumière.

Son nom vient de la contraction de « parallaxe-seconde ».

Cette unité provient de la méthode qu’ utilisent les astronomes
pour mesurer les distances des étoiles, dite « méthode de la
parallaxe ».
36
La parallaxe
Depuis le point P on voit le
rayon de l’orbite de la Terre
sous un angle de 1 " .
On dit alors que P est à une
distance du Soleil de 1 parsec.
Un petit calcul de trigo permet
de transformer le parsec en
année-lumière et donne :
1 pc = 3,26 al
37
La parallaxe des étoiles



Les premières mesures de distance
interstellaire (l'étoile 61 Cygni par
Bessel en 1838) furent effectuées en
utilisant le diamètre de l'orbite
terrestre comme référence. Le parsec
dériva de cette méthode.
L'étoile la plus proche du Soleil, α
Cen C (Proxima Centauri), se trouve
à 1,316 parsec (4,28 annéeslumière).
Les distances des autres objets
célestes n'appartenant pas au
système solaire sont bien plus
grandes et se mesurent couramment
en kiloparsecs (symbole kpc) ou
mégaparsecs (symbole Mpc).
38
La parallaxe des étoiles


Les parallaxes ont des valeurs faibles : 0,76" pour Proxima Centauri ;
aussi, la méthode parallactique ne permet guère de déterminer des
distances stellaires supérieures à 100 parsecs environ, ce qui
correspond à des mesures de parallaxe inférieures à 10 millisecondes
d'arc.
Entre 1989 et 1993, le satellite HIPPARCOS, lancé par l‘Agence
Spatiale Européenne, a mesuré la parallaxe d'environ 100 000 étoiles
avec une précision supérieure à la milliseconde d'arc, ce qui a permis
de déterminer la distance d'étoiles éloignées de nous de plus d'un
kiloparsec.
39
Les étoiles proches dans un rayon de 12 AL
autour du Soleil
40
Les étoiles proches, dans un rayon
de 20 AL
(environ 80 étoiles dans un rayon de 20 al autour de nous)
41
Dans un rayon de 50 AL
(environ 130 étoiles autour de nous à moins de 50 al)
42
à 250 AL
43
2000 al
on est entouré d’amas ouverts et de nébuleuses
44
5000 al
45
Notre galaxie
diamètre 100 000 al
46
Notre galaxie vue de dessus
(c’est un dessin)
47
Les amas globulaires
48
La place du Soleil dans notre galaxie :
49
Aspect des amas globulaires
Ils renferment entre 100 000 et plusieurs millions d’étoiles
dans une boule de 100 à 200 al
M13 : 800 000 étoiles dans 150 al
Oméga Cen : plusieurs millions dans 100 al
50
Les galaxies naines
satellites de la Voie Lactée
une douzaine dans un rayon de 500 000 al
51
Le grand nuage de Magellan
Distance : 180 000 al
52
Le petit nuage de
Magellan
Distance : 210 000 al
53
Les galaxies proches : la grande galaxie M 31
dans Andromède
Distance : 2,5 millions d’al
54
La galaxie M 33 dans le Triangle
à près de 3 millions d’al
55
Le groupe local
25 galaxies dans un rayon de 5 millions al
56
Le superamas local ou superamas de la Vierge
environ 10 000 galaxies, réparties
dans une centaine d’amas
Diamètre : 200 millions al
57
Les super-amas de galaxies
58
Les superamas de galaxies
Rayon : 500 millions al
59
L’amas de Persée
60
Dans l’amas Virgo-Coma
La chaine de Markarian : distance de 50 à 65 Mal
61
Les amas lointains
Rayon : 2 milliards al
62
Un amas très lointain
Distance : 2 milliards al
63
Une tranche d’univers
Chaque point est un amas de galaxies
64
Tout l’univers…
Les grumeaux sont des superamas de galaxies
13 milliards al
65
Et après…. plus rien
66
Tout l’univers en expansion…
La voie lactée est dans un grumeau formé par le super-amas local
67
68
Voyage… (pour déclencher le film, cliquer sur l’image qui va suivre)
69
70
71
72
Pour finir… une anecdote

De l’intérêt de s’entendre sur les
mêmes unités de mesure…
L’histoire de « Mars Climate Orbiter » :
Un petit tour, et puis s'en va ...
Comment perdre 125 millions de dollars
73
La sonde martienne Climate Orbiter
74
Devait se mettre en orbite autour de Mars…




…pour devenir le premier satellite météorologique
martien.
On attendait beaucoup de ses deux instruments.
Sa caméra moyenne résolution devait nous retourner
des images du globe martien en couleurs, identiques
à celles présentées chaque jour dans les bulletins
météorologiques terrestres.
Le deuxième instrument, un radiomètre, avait pour
objectif l'étude de l'atmosphère (pression,
température, vapeur d'eau, poussière).
75
La manœuvre d'insertion orbitale



Le 23 septembre 1999 à 10:41 heure française
débutait la mise en orbite de la sonde Mars Climate
Orbiter.
La manœuvre d'insertion en orbite martienne était
l'une des phases les plus critiques de la mission.
La sonde suit à ce moment là une procédure
entièrement automatique et lorsque la manœuvre
commence, plus rien ne peut stopper son
déroulement.
76
La mise en orbite…



…commence avec l'arrivée de la sonde sur la planète
Mars.
Au point A, Mars Climate Orbiter suit encore sa
trajectoire initiale, qui doit l'amener à survoler le pôle
nord de Mars à une altitude d'environ 140 km.
Lors du survol, le moteur de la sonde est mis à feu (B)
dans le but de la ralentir suffisamment pour permettre
sa capture par le champ de gravité de Mars.
77
La mise en orbite… suite

Cinq minutes après l'allumage du moteur, Mars
Climate Orbiter doit passer derrière Mars, ce qui va
interrompre les communications radios.

Ce n'est qu'à la fin de l'occultation, 20 minutes plus
tard, que les contrôleurs doivent de nouveau recevoir
un signal de la sonde, grâce au réseau d'écoute de
l'espace lointain (Deep Space Network, DSN).

Ils seront alors certains que tout s'est déroulé comme
prévu et que la sonde suit maintenant une orbite
autour de Mars (C). (Crédit photo : © Philippe Labrot)
78
La mise en orbite… suite


A l'heure précise où la sonde doit émerger de
l'autre côté de la planète, tout le monde retient
son souffle.
Le signal tant attendu n'arrive pas. Il n'arrivera
jamais
79
Le plongeon mortel dans l'atmosphère





Les premières analyses des données arrivent et montrent des
résultats inattendus.
Il semble de plus en plus évident que la sonde a suivi un couloir
de survol beaucoup plus bas que le couloir théorique.
Le survol du pôle nord devait avoir lieu à une altitude théorique
confortable de 193 km.
Depuis quelques jours, les ingénieurs avaient bien remarqué
que la sonde semblait suivre une trajectoire un peu trop basse
et que le passage allait en fait avoir lieu à une altitude de 140
km, mais cette valeur restait raisonnable.
La limite extrême à ne pas dépasser était de 85 km car en
dessous, la densité de l'atmosphère est bien trop forte et
l'échauffement libéré lors de la rentrée désintègrerait la sonde
en quelques secondes.
80
81
puis d'un seul coup le chiffre tombe


Mars Climate Orbiter a été victime d'une erreur
catastrophique de navigation, et la sonde a affronté
l'atmosphère martienne à une altitude incroyable de
57 km.
Mars Climate Orbiter s'est transformé en une boule
incandescente, étoile filante dans le ciel martien,
dispersant ses fragments métalliques dans
l'atmosphère, tandis que dans la salle de contrôle,
les navigateurs attendaient avec impatience la
reprise d'un contact radio qui ne viendra jamais.
82
trois comités d'enquête sont mandatés par la NASA pour
découvrir l'origine de l'erreur

Le rapport final sera publié le 1er février 2000.
83
Un simple problème d'unité de mesure

Il semble que la perte de Mars Climate Orbiter doive
simplement être mise sur le compte d'un problème
d'unité dans l'expression d'une force de poussée.

Les ingénieurs de Lockheed Martin Astronautics
(Denver dans le Colorado), la firme qui a conçu et
fabriqué la sonde martienne, avaient apparemment
gardé la mauvaise habitude de travailler avec les
unités du système anglo-saxon.
84
Un simple problème d'unité de mesure

De leur côté, les ingénieurs du Jet Propulsion
Laboratory (Pasadena en Californie) travaillaient
depuis des années dans le système métrique,
reconnu au niveau international comme étant le
système de référence.

Il semble que lors du transfert des données entre le
centre de Lockheed et celui du JPL, personne ne se
soit rendu compte qu'il fallait convertir les données,
chacun étant persuadé que l'un utilisait les mêmes
unités que l'autre !
85
2 systèmes d’unités co-existent aux USA : l’ancien système
impérial anglo-saxon, et le système métrique international (SI).




On a dit que la sonde était programmée pour effectuer le survol
à 60 miles, mais que celui ci s'est déroulé à 60 km.
En fait c’est au niveau des valeurs des forces de poussée des
moteurs que la confusion a été faite.
Lockheed fournissait ses données en pounds-force, une unité
du système anglais, alors que les ingénieurs du JPL
considéraient que ces données représentaient des newtons
(unité du système métrique). Une pound-force équivaut à 4,48
newtons.
La sonde a été beaucoup trop freinée, ce qui l’a faite pénétrer
trop bas dans l’atmosphère martienne.
86
Une erreur à 125 millions de dollars !


Il se pourrait que certains faits inexpliqués jusqu'à
maintenant dans le comportement de certaines
sondes trouvent enfin une réponse.
Voici la seule image transmise par Mars Climate
Orbiter, alors qu’il se trouvait à 4,5 millions de km de
Mars, le 7 septembre 1999.
Infos prises sur le site consacré à la
planète Mars :
87
http://www.nirgal.net/
88