Voyage dans l`univers - Jean

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Voyage dans l’univers
par Jean-Jacques HERSTAIN
1 Préparatifs
Ce voyage (virtuel) dans l’espace consiste, en partant de la Terre, à décrire les objets présents dans
l’univers en s’arrêtant sur quelques phénomènes parfois surprenants et en donnant quelques idées sur la
formation et l’origine de ces objets.
Les distances et les temps qui vont être mis en jeux sont tellement grands qu’il est souvent difficile de se
les approprier. L’unité de distance fréquemment utilisée est l’année lumière : c’est la distance parcourue
par la lumière en une année. La lumière se propageant à 300 000km/s, il est facile de calculer en
kilomètres ce que vaut une année lumière : 300 000km multiplié par le nombre de secondes dans une
année (3600x24x365). Le résultat donne approximativement dix mille milliards de kilomètres.
Quand nous regardons une étoile située à 1000 années lumière, on voit donc la lumière qu’elle a émise il y
a mille ans !
La notion de distance et de temps sont donc intimement liées. Lorsque l’on parle de milliards d’années on
a également du mal à imaginer ce à quoi cela correspond. Voici donc une petite analogie qui permet de
mieux comparer les durées qui ont cours dans notre univers ; imaginons que l’univers ait été créé il y a
exactement une semaine : le lundi matin à 0h, et nous sommes à cet instant le dimanche suivant à 24h.
Plaçons les différents événements qui on marqué l’univers.
- Big Bang (le début de tout il y a 12,7 milliards d’années) : lundi 0h
- formation des premières étoiles (12 milliard d’années) : lundi 13h
- Formation du soleil (il y a 5 milliards d’années) : vendredi 7h30
- formation de la Terre (4 milliard d’années) : vendredi 20h30
- Apparition de la vie (premières bactéries, il y a 3 milliards d’années) : samedi 9h30
- Premiers vertébrés (poissons, 500 millions d’années) : dimanche 18h
- premiers mammifères (disparition des dinosaures, 70 millions d’années) : dimanche 23h
- premiers anthropoïdes (nos ancêtres grands singes, 5 millions d’années) : dimanche 23h 57minutes
- homme de Cro-Magnon (homme moderne, 60 000ans) : 24h moins 3 secondes.
- Jésus Christ (2000 ans) : 24h moins un dixième de seconde.

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2 Départ vers la Lune
Voilà, nous quittons la planète. A 20km d’altitude nous avons 99% de l’atmosphère au-dessous de nous et
le ciel est noir.
Nous nous dirigeons tout d’abord vers la Lune qui se trouve à 400 000km de nous, c'est-à-dire que la
lumière qu’elle nous envoie, éclairée qu’elle est par le soleil, met à peu près une seconde à nous parvenir.
Nous remarquons que la Lune nous montre toujours la même face. Notez que cela signifie qu’un touriste
qui passerait ses vacances sur la Lune observerait le clair de Terre dans la même direction tout au long de
l’année. Elle effectue une révolution autour de la Terre en 29 jours et donc un tour sur elle même pendant
exactement la même durée. Est-ce un hasard ? Non, et nous allons voir pourquoi. Ceci n’a pas toujours
été le cas ; jadis elle tournait sur elle-même. Tout le monde sait que les marées sur Terre sont dues à
l’attraction de la Lune. Ce qu’on sait moins, c’est que le sol lui aussi se soulève deux fois par jour d’une
trentaine de centimètres. Comme nous nous soulevons avec lui, nous n’en avons pas conscience. Ce
soulèvement journalier crée un bourrelet qui à son tour est attiré par la Lune et freine la rotation terrestre.
Il y a 400 millions d’années, la Terre tournait plus vite et une journée durait 22 heures. A cause de ce
phénomène, un jour elle s’arrêtera de tourner et montrera toujours la même face à la Lune. C’est
exactement ce qui est arrivé à la Lune.
En même temps et pour la même raison la Lune s’éloigne lentement de la
Terre.
La Lune a été créée il y a près de 4 milliards d’années, lors d’un choc
avec la Terre d’une très grosse météorite qui a arraché une grande
quantité de matière dont les débris ont été satellisés en anneau, puis se
sont rassemblés pour former notre satellite.
3 Vers le Soleil
Plongeons maintenant vers le Soleil, mais pas trop près car la température de sa surface est de 6000
degrés. Son rayon est de 700 000 km soit presque deux fois la distance de la Terre à la Lune.
La terre tourne autour du Soleil à une distance moyenne de 150 millions de km, ce qu’on appelle une unité
astronomique.
A une autre échelle, si le diamètre du Soleil était de un mètre, la Terre se situerait à plus de cent mètres et
le diamètre terrestre mesurerait à peu près un centimètre (le diamètre terrestre est de 12800km).
Le centre du Soleil est à une température de 15 millions de degrés. C’est le résultat d’une réaction
thermonucléaire qui transforme l’hydrogène dont il est majoritairement constitué, en hélium. (Exactement
ce qui se passe dans une bombe H). Le projet international ITER à Cadarache a pour objet d’essayer de
maitriser cette énergie afin d’apporter à l’humanité une source d’énergie quasiment inépuisable, puisque
l’hydrogène présent dans l’eau de mer est en quantité gigantesque. Un verre d'eau suffirait à alimenter en
énergie un foyer pendant un an. On peut calculer que si l'humanité utilisait l'eau de mer comme source

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d'énergie avec la même consommation qu'aujourd'hui, le niveau diminuerait de 1 mm en 1000 ans. Cela
commencerait à poser des problèmes dans 100 millions d'années.. si il y a encore quelqu'un ici-bas !
Un grain de lumière créé au centre du soleil met à peu près 10000 ans avant d’en sortir car il rebondit un
nombre énorme de fois sur la matière qu’il rencontre avant d’atteindre la surface. Puis une fois sorti, il met
encore 8 minutes avant d’atteindre la Terre. Cela signifie que si aujourd’hui, la production d’énergie
s’arrêtait au cœur du Soleil, nous n’en aurions connaissance que dans 10000 ans !
Le Soleil est né il y a quelque 5 milliards d’années, d’un immense nuage d’hydrogène mélangé à de la
poussière (on expliquera un peu plus loin l’origine de ce nuage). Un phénomène extérieur, probablement
une supernova (cela sera également expliqué un peu plus tard) a créé une perturbation qui a eu pour effet
de comprimer certaines régions de ce nuage. Mais dès que la densité de ces grumeaux fut suffisante, la
gravitation les a conduits à s’effondrer sur eux même. Ces protoétoiles en se comprimant se sont
échauffées jusqu’à atteindre des températures centrales suffisantes pour déclencher la réaction
thermonucléaire. Un équilibre s’établit alors entre la force de gravitation et la pression due au
rayonnement nucléaire. C’est ainsi que naquit le soleil au milieu d’un certain nombre de compagnons qui
se sont ensuite éloignés.
Tant qu’il restera de l’hydrogène le Soleil continuera à briller. Mais il brûle 4 millions de tonnes
d’hydrogène par seconde (ce qui est infime par rapport à sa masse totale). Il a donc du combustible
pendant encore 6 à 10 milliards d’années. Que se passera-t-il ensuite ?
Lorsque tout l’hydrogène aura été transformé en hélium, le soleil deviendra une géante rouge, c'est-à-dire
qu’en même temps que sa surface se refroidira à 1500° il gonflera jusqu’à dépasser l’orbite de la Terre. La
vie disparaîtra donc de celle-ci.
Après quoi une nouvelle réaction thermonucléaire débutera en son centre : trois atomes d’hélium
fusionneront en un atome de carbone et il brillera à nouveau pendant quelques centaines de millions
d’années, puis après quelques nouvelles étapes plus ou moins chaotiques, de l’oxygène, de l’azote seront
générés ainsi que la plupart des atomes que l’on rencontre sur Terre. La dernière étape est la synthèse du
fer, qui lui est stable et ne peut plus donner aucune libération d’énergie par fusion thermonucléaire. Le
soleil se refroidira alors lentement en se contractant : il deviendra une naine blanche dont la dimension
sera comparable à celle de la Terre actuelle. La matière étant très concentrée, sa masse volumique pourra
atteindre une tonne par centimètre cube.
4 Le système solaire
Mais revenons au nuage initial dont est issu le Soleil : pendant que la protoétoile se condensait, une grande
partie du nuage d’hydrogène et de poussière initial se condensait en petites particules et tournait autour de
l’étoile en formation. Avec le temps ces particules s’agrégeaient et devenaient des cailloux, puis des
rochers puis des blocs de plusieurs centaines de mètres et enfin des planétoïdes. Leur nombre était
gigantesque et les collisions de plus en plus fréquentes pour donner finalement des planètes. Certains de
ces blocs subsistent encore aujourd’hui et sont appelés astéroïdes ; ils sont heureusement beaucoup moins
nombreux et les collisions très rares. C’est cependant une telle collision avec la Terre qui fut à l’origine de
la disparition des dinosaures il y a quelque 60 millions d’années (rappelons que c’est très proche à
l’échelle géologique). La collision a provoqué un immense nuage de poussières autour de la Terre ce qui a
plongé celle-ci dans les ténèbres durant plusieurs dizaines d'années. La végétation ayant alors quasiment
disparue, les grosses bêtes n'ont plus réussi à se nourrir ; seules les plus petites ont réussi à survivre. De
futures collisions ne sont pas exclues !

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En s’éloignant du Soleil, on rencontre 8 planètes aux propriétés très différentes les
unes des autres.
La première est Mercure, à peine plus grosse que la lune et comme elle dépourvue
d’atmosphère. De manière identique, elle montre toujours la même face au Soleil.
Elle est située sur une orbite à 50 millions de km du Soleil, et tourne autour du soleil
en 3 mois. La température du sol sur la face exposée est portée jusqu’à 420° à
l’équateur, mais la face dans l’obscurité est à -180°.
La deuxième est Vénus, un peu plus petite que la Terre, à cent millions de km du
soleil ; elle est munie d’une importante atmosphère de gaz carbonique. La
pression au sol est cent fois plus élevée que la pression terrestre et la température
de l’ordre de 450° à cause d’un important effet de serre. Il pleut parfois de l'acide
sulfurique (elle n'est pas très accueillante !)
Il est à noter qu’au sol, à cause d’une variation importante de la température, on
observe un effet de mirage inversé : les rayons lumineux partant du sol avec une
faible inclinaison sont incurvés et retombent vers le sol un peu plus loin. La
conséquence est qu’un observateur qui regarderait horizontalement verrait le sol
à quelques mètres et aurait donc l’impression d’être dans un trou. Ce trou se déplacerait avec lui au fur et à
mesure qu’il avancerait.
La Terre est la troisième. Remarquons qu’elle tourne autour du soleil à une vitesse de l’ordre de 30 km/s.
En réalité elle décrit une ellipse et la distance au Soleil varie de 147 à 153 millions de km. Ce qui est
paradoxal, c’est qu’elle s’en rapproche le plus en hiver (C’est effectivement l’inclinaison de la Terre qui
fait les saisons et non pas son éloignement).
Mars, à 200 millions de km du soleil. Légèrement plus petite que la Terre, la température équatoriale est
de l’ordre de 0°, l’atmosphère est ténue et impropre à la vie telle que nous la connaissons.
Les sondes qui y ont été envoyées (Curiosity, la dernière en date) y recherchent des traces de vie pouvant
y avoir existées ; il est avéré que de l'eau a circulé à sa surface dans le passé. Peut-être y en a-t-il encore
dans le sous-sol sous forme de glace.

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Vient ensuite une ceinture d’astéroïdes (Cérès, Vesta, Pallas…). Leur
taille va de celle d’un rocher à 1000km de diamètre (Cérès) et leur
nombre est supérieur à 100 000. Certaines ont leur origine dans le nuage
primitif, d’autres sont le résidu du choc de planètes en formation.
Puis vient Jupiter, la plus grosse des planètes du système solaire.
A 800 millions de km du soleil elle est 300 fois plus massive que la
Terre, sa révolution autour du soleil est de 11 ans. Mais à la
différence des précédente, elle est gazeuse, essentiellement
constituée d’hydrogène, et ne possède donc pas de sol.
Avec des jumelles, on peut observer quatre points brillant autour de
cet astre ; il s’agit de quatre de ses plus gros satellites :
Io, Europe, Ganymède et Callisto, mais leur nombre serait supérieur
à 60.
Io, la plus proche, subit des effets de marée importants qui
déforment sans arrêt son sous-sol ce qui produit un volcanisme
intense.
Europe a une surface composée de glace. Bien que sa température
soit au maximum de -150 °C, on pense que par-dessous, il se trouve
un océan liquide d'environ 90 km de profondeur. Ceci pourrait la
rendre habitable pour certains organismes. Existe-t-il des européens
sur un satellite de Jupiter ?
Saturne à 900 millions de km du soleil est comme Jupiter une
grosse planète gazeuse (100 fois la masse de la Terre). Sa
révolution dure 29 ans. Comme chacun sait, elle possède des
anneaux qui sont en fait constitués d’un nombre gigantesques de
blocs de roche et surtout de glace. Elle possède également un grand
nombre de satellites dont le plus gros est Titan, presque aussi gros
que la Terre, mais la température n’y est que de -170°.
De l’eau existe en grande quantité, mais sous forme de glace. En
revanche le méthane (le gaz qui peut cuire nos aliments) gazeux sur
Terre est présent dans son atmosphère et obéit à une véritable météorologie et hydrologie : il pleut
fréquemment du méthane sur Titan et des fleuves de méthane se jettent dans des lacs de méthane.