L`Univers et sa mesure

L'Univers et sa mesure
I. Introduction
L'astronomie et l'astrophysique consistent en l'étude des différents objets observés dans le
ciel. La variété de ces objets est considérable. Ils sont caractérisés par des comportements physiques
très différents et des échelles de grandeur très variées. En effet, les poussières éjectées par une
comètes ou présentes dans l'espace interstellaire ont des diamètres de l'ordre du micron, alors que
les galaxies les plus lointaines observées se trouvent à 3 Gpc, c'est à dire une distance de l'ordre de
1026m. Pour ne pas s'embrouiller avec les puissances de 10, chaque domaine d'étude de l'astronomie
va définir une échelle de longueur qui lui est propre.
Plus précisément, les échelles de longueur que l'on retrouve en astronomie sont les suivantes, avec
en correspondance les unités de distance habituellement utilisées à ces échelles:
•103m = 1 km : taille d'une comète
•107m = 10 000 km : quart du méridien terrestre
•108m = 100 000 km : 380 000 km = distance Terre-
Lune ;
•109m = 1 000 000 km : 1 400 000 km = diamètre du
Soleil ;
•1011m : 150 million de km = 1 Unité Astronomique
= distance moyenne Terre-Soleil ;
•1012m : 5,2 UA = distance Jupiter-Soleil ; 40 UA =
ceinture de Kuiper ;
•1017m : 4,2 Année Lumière : Alpha du Centaure,
étoile la plus proche du Soleil.
1 AL = 0,3 pc (parsec) = 66 000 UA ;
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•1021m : 30 kpc = 100 000 AL = diamètre de la voie
lactée;
•1024m : 30 Mpc , correspondant à un red-shift z =
0,007 : taille d'un amas de galaxies ;
•1026m : 3 Gpc , correspondant à z = 1,3 : distance des
galaxies les plus lointaines observées.
En revanche la composition de l'univers est beaucoup plus uniforme, puisqu'il est constitué à
74,41% d'hydrogène. Les autres principaux constituant étant : l'Hélium (13,81 %), l'Oxygène (0,83
%), le Carbone (0,35 %), le Fer, l' Azote, le Néon, etc.
Comment a-t-on pu obtenir toutes ces connaissances ? Tous les objets du ciel sont évidemment
inatteignables (mise à part quelques missions spatiales), ainsi le seule moyen d'obtenir de
l'information est à partir de la lumière que les objets nous transmettent. Pour cela, il est tout d'abord
important d'avoir les bons outils pour capter cette lumière. Les plus répandus sont:
•la lunette,
•le télescope,
•le radiotélescope,
•les télescopes spatiaux.
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Le but de ce cours est de présenter les différents types d'astres de l'univers, en commençant par le
Soleil. Mais avant tout il est nécessaire de bien comprendre ce qu'est le principale vecteur
d'information qui est la lumière.
Le cours se divise comme suit: La lumière, Le Système Solaire, Les Etoiles, Les Galaxies.
II.La lumière
1. Généralité
On pourrait très bien définir l'astronomie comme l'étude de la lumière qui nous vient du ciel. En
effet, la « lumière », ou rayonnement électromagnétique est la principale source d'information sur
les astres. La matière présente dans l'univers émet (étoiles) ou absorbe (atmosphère) de la lumière.
Une fois captée par un observateur, l'analyse de cette lumière nous informe sur la matière émettrice
ou traversée.
L'analyse de cette lumière s'appelle la spectroscopie. Par exemple la décomposition de la lumière
du Soleil dont le spectre est visible sur la figure ci-dessous, nous informe sur la température de
surface (photosphère) et sur la composition de l'atmosphère du Soleil (chromosphère et couronne):
La lumière émise par un astre est émise à différentes longueurs d'ondes:
caractéristiques
Rayons < 0,005 nm rayons émis en masse lors des
réactions nucléaires ;
destructeurs de la vie, arrêtés
par l'atmosphère.
Rayons X 0,005 20 nm Rayons très pénétrants, arrêtés
par l'atmosphère. Utilisé en
médecine.
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Ultra-Violets (U.V) 20 390 nm Rayon très énergétiques filtrés
par l'atmosphère.
Visibles 390 760 nm L'oeil perçoit une couleur bleue
pour les petites longueurs
d'onde et rouge pour les
grandes.
Infra-rouge (I.R) 760 nm 0,3 mm Ondes traversant la brume
atmosphérique et le gaz
interstellaire. Permettant la
détection de zones chaudes ;
applications géographiques et
guerrières.
Radio 0,3 mm Ondes captées avec les
radiotélescopes. Les ondes
radar ont des longueurs d'onde
comprises entre 0,3 mm et 2,5
m.
Comme on le voit l'atmosphère est un protecteur efficace pour les petites longueurs d'onde qui sont,
comme on le verra plus tard, les plus énergétiques donc les plus dangereuses. Cependant
l'atmosphère filtre aussi les infra-rouges et les grandes ondes. La figure suivante décrit les effets de
l'atmosphère sur les ondes électromagnétiques :
L'adaptation de l'homme à son environnement est donc évident. En revanche, il s'avère que faire des
observation à certaine longueur d'onde (pour les petites longueurs d'onde en particulier) il est
nécessaire d'aller dans l'espace.
3. Les spectres de lumière
Il y a 3 différents types de spectres:
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•le spectre continu : lorsqu'on décompose la lumière blanche avec un prisme on obtient un
spectre continue. Il n'y a pas d'interruption dans les couleurs. Tout corps gazeux ou solide
sous haute pression et à haute température donne un spectre continu:
•le spectre de raies d'émission : si on analyse la lumière émise par une lampe à vapeur de
sodium (gaz peu dense et chaud) avec un prisme on obtient deux raies fines et très intenses
dans le jaune. C'est un spectre discontinu caractéristique des atomes du sodium. Chaque
élément chimique a un spectre qui le caractérise.
•le spectre d'absorption : lorsqu'une lumière blanche passe au travers d'un gaz froid avant
un prisme on obtient des raies noires sur le spectre continu de la lumière blanche. C'est un
spectre d'absorption. Pour chaque élément chimique, les raies d'absorption se fond pour les
mêmes longueurs d'onde que les raies d'émission. Un élément absorbe les mêmes radiations
qu'il est capable d'émettre.
Exemple: la figure suivante montre le spectre de la lumière émise par différentes étoiles,
ayant des températures effectives allant de 4000K à 7000K.
Ces différents spectres sont résumés dans les lois de Kirchoff :
1. un gaz, un solide ou un liquide à pression élevée, si ils sont chauffés, émettent un
rayonnement continu qui contient toutes les couleurs,
2. un gaz chaud, à basse pression, émet un rayonnement uniquement pour certaines couleurs
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