Les Origines de la matière

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Les Origines de la matière
Université de Bretagne Sud
Licence Sciences et Techniques
L1, Semestre 1
Option « Terre et Univers »
(UEP GLG1101)
Notes de cours de
M.Crézé
Septembre 2005

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Préambule
Trois cours de l'option « Terre et Univers » sont consacrés à « l’origine de la
matière ». Il s'agit de situer la planète Terre dans son environnement spatial mais aussi
dans la succession des processus évolutifs qui vont de la très grande simplicité de
l'univers primordial jusqu'à l'apparition de la vie. On voudrait raconter une histoire.
Une histoire qui s’étend sur 14 milliards d’années et qui à partir d’un objet
étonnement simple que nous appellerons « Univers Primordial » produit aujourd’hui
l’extrême diversité et la complexité du vivant. Il n'est pas question de donner dans un
cadre aussi restreint fut-ce un aperçu de ce qui constitue actuellement un ensemble de
domaines scientifiques en plein développement : la cosmologie, l'astrophysique et la
planétologie. Tout au plus a-t-on cherché à donner quelques pistes que les étudiants
sont invités à explorer par la suite au gré de leur curiosité et de leur parcours
scientifique.
Le premier chapitre « l'univers tel qu'on l'observe » propose des repères dans l'espace
et le temps. On s'efforcera de retenir quelques ordres de grandeur en procédant par
sauts d'échelle depuis le cortège des planètes qui entourent le soleil et pour lequel les
bon vieux kilomètres nous parlent encore un peu, jusqu'aux étoiles voisines situées à
« des années lumière » puis aux galaxies qui jalonnent l'espace et jusqu'à la trace
omniprésente de la naissance de l'univers. Pour raccorder entre elles les différentes
échelles on jettera un coup d'oeil en passant aux procédés de mesure et aux grands
tournants de la pensée humaine qui ont permis d'accéder à cette description. L'effort
d'unification conceptuelle des lois de l'électromagnétisme avec celles de la mécanique
a conduit à réviser radicalement les notions intuitives d'espace et de temps. Les
phénomènes se décrivent mieux dans un cadre plus général et plus fécond, celui de
l'espace temps de la relativité. Ce cadre s'est révélé extrêmement fructueux pour
comprendre l'univers à très grande échelle et la « fuite » des galaxies.
Le deuxième chapitre est consacré aux processus évolutifs. Avec la mesure des
distances des étoiles, de l'énergie qu’elles émettent, vient la possibilité de ramener
« dans le laboratoire » ces objets inaccessibles. On peut alors interpréter et prédire
leur fonctionnement avec les lois de la physique élaborées pour la matière ordinaire.
Dès lors on accède à l'évolution. Les étoiles naissent, évoluent puis se dispersent dans
l'espace. Les astres qui semblent immuables aux échelles de temps humaines se
révèlent des machines changeantes où s'élabore, à partir de la simplicité initiale, la
diversité des substances et des objets qui nous entourent.
Le système solaire, cadre de l'ultime diversification, où une seule planète semble
avoir réuni les conditions de l'apparition de la vie, fait l'objet du troisième chapitre à
caractère essentiellement descriptif. La question de la vie dans l'univers y est juste
effleurée.
Ce document en cours de rédaction est très incomplet voire, pour certains chapitres,
encore à l’état de plan. Il est conseillé aux étudiants de les compléter par leurs
propres notes prises au fil du cours et par quelques unes des lectures suggérées. Il ne
s'agit pas d'engranger un maximum de connaissances figées, mais de se faire une idée
d'un processus de compréhension qui s'élabore chaque jour davantage.

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Sommaire
1 L'univers tel qu'on l'observe
1.1 Le système solaire : ordres de grandeur
1.1.1 : les distances
1.1.2 : les masses
1.1.3 : le soleil est une étoile
1.2 Les étoiles
1.2.1 : ce qui nous sépare des étoiles : la distance
1.2.2 : le rayonnement des étoiles
1.3 La voie lactée, une galaxie
1.3.1 : de la Voie Lactée à la Galaxie
1.3.2 : structure d'une galaxie
1.4 L'Univers à grande échelle
1.4.1 les galaxies extérieures
1.4.2 les amas de galaxies
1.4.3 la matière noire
1.4.4 l'expansion de l'univers
1.4.5 le fond de rayonnement cosmique
2 Eléments d'évolution
2.1 Ce que nous apprend la physique
2.1.1 : les particules
2.1.2 : les interactions
2.1.3 : les édifices
2.1.4 : les chocs
2.1.5 les échanges matière / rayonnement
2.2 L'élaboration des atomes et des molécules
2.2.1 La machine univers
2.2.2 La machine étoile
2.2.3 La machine galaxie
2.2.4 La chimie interstellaire
3 L'origine du système solaire
3.1 Etat des lieux
3.1.1 Un peu d'histoire
3.1.2 Planètes telluriques et planètes Joviennes
3.1.3 Petits corps : Astéroïdes, Météorites, Comètes,
3.1.4 Satellites et Anneaux
3.2 De la nébuleuse primitive à la stabilisation de l'atmosphère terrestre
3.2.1 Le matériau de départ
3.2.2 la différentiation
3.2.3 Comètes et météorites témoins du passé lointain
3.2.4 Les chronomètres
3.2.5 Modèles , scénarios et difficultés d'ajustement
3.3 A la recherche des planètes extra solaires
Indications de lecture

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1 l'univers tel qu'on l'observe
A la vitesse d'un piéton, le tour de notre planète la Terre (40000km) est bouclé en
quelques années. Le même tour demandera quelques mois à un voilier moderne. Un
avion aura besoin de quelques heures. La Terre accompagnée de son satellite la Lune
gravite autour du Soleil à la vitesse d’une trentaine de kilomètres par seconde. Le
parcours qu'elle suit autour du Soleil est une orbite presque circulaire dont le rayon est
d'environ 150 millions de kilomètres. Ce trajet est effectué en un an. La Terre n'est
pas le seul astre à graviter autour du Soleil : Planètes, astéroïdes, comètes restent
confinées dans cette « petite » région de l'espace par l'attraction qu'exerce la masse
énorme du soleil. La lumière émise par le disque solaire nous parvient en huit
minutes, il lui faut plusieurs heures pour atteindre la planète Pluton dont l'orbite
marque les confins du système solaire. On reviendra un peu plus en détails au chapitre
3 sur le système solaire. Pour l'heure, contentons nous de nous en éloigner, toujours à
la vitesse de la lumière qui nous servira désormais de chaîne d'arpenteur. Au bout de
quelques semaines nous verrons la lumière du Soleil s'affaiblir au point de n'être plus
qu'une « grosse étoile », un point lumineux un peu plus intense que ses voisins. Les
planètes, elles, ne seront plus perceptibles car la lumière qu'elles émettent est
insuffisante. En outre, vues de très loin, les orbites elles mêmes apparaissent si petites
que le pouvoir séparateur des instruments n'est plus suffisant pour les distinguer. Au
bout de quelques mois le soleil n'apparaît plus que comme une étoile très ordinaire,
une particule banale dans un nuage qui en regroupe des milliards, la Voie Lactée. En
prenant à nouveau du recul (il faut des milliers d'année cette fois) on découvre que la
Voie Lactée elle même n'est qu'un nuage d'étoiles, isolé dans un vide immense un
vide ponctué ici ou là de nuages identiques au notre : les galaxies.
Repères historiques
Nicolas Copernic (1473 - 1543) Les mouvements des planètes sont décrits par des
lois simples si l'on admet que le Soleil et non la Terre en est le centre
Galileo Galilei (1564 - 1642) lunette astronomique, satellites de Jupiter, phases de
Vénus, étoiles dans la Voie Lactée, principe d 'équivalence. La Terre tourne
autour du Soleil
Johannès Kepler (1571 - 1630) lois du mouvement des planètes
Isaac Newton (1643 - 1727) les forces qui gouvernent les mouvements des planètes
sont aussi celles qui régissent la chute des corps sur la Terre
Einstein Albert (1879 - 1955) On n'obtient une description objective (c'est à dire
indépendante de l'observateur) des événements de l'univers que dans le cadre
d'un espace temps (relativité restreinte). La matière pesante modifie la
géométrie de l'espace temps (relativité générale).

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1.1 Le système solaire
On reviendra au chapitre 3 sur les détails du système solaire. Contentons nous ici de
mémoriser les ordres de grandeur des dimensions et des masses.
1.1.1 Les distances :
Diamètre de la Terre ≈ 12 000 km , (1,2 x 104 km)
Diamètre du Soleil ≈ 1 400 000 km (1,4 x 106 km)
Distance Terre -Lune ≈ 300 000 km (0.3 x 106 km)
Distance Soleil-Terre : 1 Unité Astronomique
1 U.A. ≈ 8 minutes lumière ≈ 1,50 x 108 km
Diamètre apparent du Soleil vu de la terre 32' (minutes d'arc)
1.1.2 Les masses
Masse de la Terre : MT = 5.98 x 1024 kg
Masse de Jupiter : MJ = 318 MT
Masse du Soleil : M✷ = 0.333 x 106 MΤ
1 M✷ ≈ 2 x 1030 kg
1.1.3 Le Soleil est une étoile
Les planètes sont des astres de relativement petite masse. Même Jupiter, planète
« géante » n'atteint que quelques centaines de fois la masse de la Terre. Le Soleil,
notre étoile est mille fois plus massive que Jupiter. La matière qui constitue ces astres
est assemblée par une force unique : la gravitation. Dans les étoiles la gravité est si
forte que la pression et la température en leur centre s'élèvent jusqu'à donner
naissance à la fusion thermonucléaire. Elles deviennent sources de lumière. Les
planètes de masse plus réduite n'ont pas accès à cette source d'énergie. Les planètes se
contentent pour l'essentiel de réfléchir la lumière qu'elles reçoivent de l'étoile voisine.
Les planètes sont donc froides et peu lumineuses, les étoiles chaudes et lumineuses.
Les seules planètes vraiment connues à ce jour sont celles qui gravitent autour du
soleil. Elles constituent avec le soleil le Système Solaire. On sait maintenant qu'il
existe d'autres systèmes planétaires autour d'autres étoiles, mais leur détection est
beaucoup plus difficile (les premières détections irréfutables remontent à 1995).