Un Univers à l`échelle

Introduction 3
Un Univers à l'échelle
Les astres que nous observons nous semblent situés à l'intérieur d'une sphère
creuse apparemment centrée sur la Terre et qu'on appelle la voûte céleste. Un
observateur n'a pas la perception de la profondeur ou de la distance; il distingue
seulement les positions angulaires (voir l'Appendice A). Dans la première partie du
cours, nous allons porter notre attention sur les mouvements d'ensemble des astres
sur la voûte céleste (voir à ce sujet les Chapitres 6, 7 et 8). Cependant, au tout
début, il est bon d'insister sur le fait qu'en réalité, les étoiles ne sont pas toutes
situées à la même distance de nous. Par exemple, les groupes d'étoiles dans la
même région générale du ciel que l'on appelle constellations ne sont que des
projections sur la voûte céleste. Ce ne sont pas des associations physiques et les
étoiles d'une même constellation peuvent être très éloignées les unes des autres.
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Objectifs du Chapitre 3
Objectifs du chapitre 3
c Comprendre les différentes échelles de grandeur (spatiales et temporelles) utilisées en astronomie
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Yannick Dupont
V2.0, été 2001
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Chapitre 3
Distances, dimensions et masses
Pour se donner une idée grossière des distances et des dimensions, commençons
par citer quelques nombres astronomiques! Le Tableau 3.1 présente la taille et la
masse de la Terre et du Soleil ainsi que la distance moyenne qui les sépare. (Nous
utilisons la notation exponentielle pour représenter les grands nombres; ceux qui ne
sont pas familiers avec cette notation peuvent consulter l'Appendice B)
Table 3.1: Quelques nombres astronomiques
Nom
Symbole
Valeur
Rayon de la Terre
R⊕
6 400 km
Rayon du Soleil
R
696 000 km
Masse de la Terre
M⊕
6 x 1024 Kg
Masse du Soleil
M
2 x 1030 Kg
Distance moyenne Terre-Soleil
U.A.
149 600 000 km
Il s'agit vraiment de très grands nombres et, comme toujours en physique, on
définit plutôt des unités ou des étalons plus appropriés pour simplifier la notation.
Ainsi à l'échelle du système solaire nous utiliserons:
étalon de taille: le rayon terrestre ( R⊕ ),
étalon de masse: la masse terrestre ( M⊕ ),
étalon de distance: la distance moyenne Terre-Soleil = 1 Unité Astronomique
(U.A.).
Avec ces étalons, on constate que:
Ces étalons nous permettent de créer un modèle à l'échelle du système solaire
comme celui de la Figure 3.1.
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Chapitre 3
Figure 3.1: Le système solaire
Grâce à ce modèle, on se rend compte que le volume de l'orbite de Pluton ne
contient essentiellement que du vide. En fait, les planètes sont à des distances
énormes par rapport à leur dimension. Bien que ces étalons dépassent déjà
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Chapitre 3
l'imagination, ils ne sont plus appropriés dans le domaine stellaire (étoiles, galaxies,
etc...). Par exemple, la distance entre le Soleil et l'étoile la plus proche de nous, α
du Centaure, est de 4 x 1013 km ou 260 000 U.A. Nous définissons donc de
nouvelles unités telles le rayon et la masse du Soleil (RΘ et MΘ) pour décrire les
caractéristiques physiques des autres étoiles. Pour les mesures de distance, nous
utiliserons de nouveaux étalons astronomiques, l'année-lumière et le parsec. Ces
étalons sont définis de la façon suivante:
1 année-lumière (A.L.) est la distance parcourue par la lumière dans le vide
en une année.
1 A.L. = v x t ≈ (300 000 km/s) x (3 x 107 s) = 9 x 1012 km ≈ 60 000 U.A.
1 parsec (pc) est la distance à laquelle la séparation angulaire entre la Terre
et le Soleil vaut une seconde d'arc (voir le Chapitre 15).
1 pc = 206 265 U.A. ≈ 3 x 1013 km ≈ 3.26 A.L.
L'année-lumière n'est donc pas une mesure de temps, mais bien une mesure de
distance. Si on utilise cet étalon à l'échelle du système solaire on trouve que:
la
la
la
la
distance
distance
distance
distance
Terre-Lune est de 1.3 secondes-lumière.
Terre-Soleil est de 8 minutes-lumière.
Terre-Jupiter varie entre 35 et 52 minutes-lumière.
Terre-Pluton varie entre 5.3 et 5.6 heures-lumière.
C'est-à-dire qu'en voyageant à la vitesse de la lumière il faudrait 1.3 secondes pour
atteindre la Lune, 8 minutes pour atteindre le Soleil, etc... Si on revient aux
distances stellaires, on constate que ces étalons sont plus adéquats. Ainsi, la
distance entre le Soleil et α du Centaure est de 4.3 A.L. ou 1.33 pc. Vu de cette
étoile, le Soleil n'est plus qu'une étoile parmi les 1011 autres étoiles de notre galaxie,
la Voie Lactée. Il en va de même pour les 5 x 1010 galaxies que nos télescopes nous
révèlent. On se rend compte encore une fois que l'espace est pratiquement vide. Le
Tableau 3.2 présente quelques autres distances typiques du domaine interstellaire
et intergalactique.
Table 3.2: Distances caractéristiques dans l'univers
Nom
Distance (A.L.)
Distance (pc)
Distance Soleil-centre de notre galaxie
3 x 10
8.5 x 103
4
Diamètre de notre galaxie
5
1 x 10
3 x 104
Distance moyenne entre 2 galaxies
1 x 106
3 x 105
Distance entre 2 amas de galaxies
1 x 10
3 x 107
Distance entre notre galaxie et les quasars
1 x 1010
3 x 109
8
Finalement, il faut remarquer que, puisque la lumière voyage à une vitesse finie
( 300 000 km/s ) on observe donc les astres tels qu'ils étaient au moment où ils ont
émis cette lumière. Donc, à tout instant on voit la Lune telle qu'elle était il y a 1.3
secondes, le Soleil tel qu'il était il y a 8 minutes, le centre de notre galaxie tel qu'il
était il y a 30 000 ans, etc... Plus on observe des objets éloignés, plus on regarde
dans le passé!
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Chapitre 3
Temps
L'âge de l'Univers est estimé à environ 15 milliards d'années. Tout comme pour les
distances, cette durée est réellement astronomique surtout si on la compare à la
durée moyenne d'une vie humaine. Afin de bien apprécier la durée caractéristique
des changements qui ponctuent l'évolution de l'Univers, nous utiliserons, encore ici,
un modèle à une échelle appropriée. Ce modèle, que nous appellerons le calendrier
cosmique, comprime toute l'histoire de l'Univers en une seule année. Dans notre
calendrier cosmique, la naissance de l'Univers se produit donc le 1er janvier à
minuit, et le moment présent se retrouve au 31 décembre à 23h 59m 59.s99999.
Chaque seconde du calendrier correspond à 475 années de temps réel; 24 jours
représentent 1 milliard d'années. Le Tableau 3.3 présente les jalons importants de
l'évolution de l'Univers et de la Terre dans le calendrier cosmique.
Table 3.3: Le calendrier cosmique
Événements
Date
Naissance de l'Univers 1er janvier
Formation de notre galaxie
Formation du système solaire
Solidification de la croûte terrestre
Apparition de la vie sur la Terre
Différenciation sexuelle
Apparition de l'oxygène atmosphérique
Heure
00h 00m 00s
24 janvier
9 septembre
14 septembre
30 septembre
30 novembre
1er décembre
Explosion du cambrien (poisson, trilobite, etc...)
17 décembre
Premières plantes terrestres
19 décembre
Premiers insectes
20 décembre
Premiers amphibiens
22 décembre
Premiers reptiles, premiers arbres
23 décembre
Premiers dinosaures 25 décembre
Extinction des dinosaures
Premiers mammifères
30 décembre 10h 00m 00s
Premiers oiseaux
Premiers primates
30 décembre 23h 00m 00s
Australopithèque
31 décembre 22h 00m 00s
Homo habilis
31 décembre 23h 25m 00s
Homo erectus
31 décembre 23h 40m 00s
Homme de Néanderthal
31 décembre 23h 57m 00s
Homme de Cro-Magnon
31 décembre 23h 58m 38s
Homo sapiens sapiens
31 décembre 23h 58m 57s
Début de l'histoire humaine
31 décembre 23h 59m 39s
Grèce antique
31 décembre 23h 59m 55s
Le calendrier cosmique nous permet de mieux saisir les différentes échelles de
temps caractéristique à l'oeuvre dans l'Univers. L'évolution des structures
galactiques, stellaires et planétaires se fait sur des périodes de l'ordre du milliard
d'années (de quelques dizaines de jours à quelques mois dans notre calendrier). Les
structures biologiques nécessitent quelques millions d'années (quelques jours du
calendrier) avant de montrer des changements appréciables. Comme on s'en doute,
l'évolution sociale est beaucoup plus rapide. En fait, toute l'histoire de l'humanité ne
dure que 21 secondes dans ce calendrier; la durée moyenne d'une vie humaine
n'est qu'environ 0.15 seconde!
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Yannick Dupont
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