LE SYSTÈME SOLAIRE I

LE SYSTÈME SOLAIRE
I‐Formation du Système solaire
1‐Âge. Le Système solaire s’est formé il ya4,5 milliards d’années.
2‐Formation. Le Système solaire s’est formé par l’effondrement gravitationnel d’un immense nuage de
gaz et de poussière faisant partie d’une nébuleuse. On peut donner comme exemple de tels nuages
s’effondrant, les piliers de la création dans l’amas ouvert d’étoiles M16 enveloppé par la nébuleuse de
l’Aigle à 6500 années‐lumière de la Terre. Il naît en effet au même moment, de ce nuage, plusieurs milliers
d’étoiles regroupées dans le ciel, qui constituent un amas ouvert. L’amas ouvert le plus facile àvoir dans
l’hémisphère nord est celui des Pléiades. L’image ci‐dessous est celle des piliers de la création.
L’effondrement peut être causé par l’onde de choc d’une supernova (étoile qui explose en fin de vie), ou
par le choc de deux tels nuages. Au centre se forme l’étoile, notre soleil. L’énergie gravitationnelle se
transforme en chaleur. Quand le cœur atteint 15 millions de degrés, la réaction nucléaire transformant
l’hydrogène en hélium et dégageant une énergie considérable se déclenche dans le cœur du soleil.
3‐Aplatissement. Si le nuage ne tourne pas sur lui‐même, toute la matière s’effondre au centre en une
étoile sans planète. Si le nuage tourne sur lui‐même, la matière dans le plan perpendiculaire àl’axe de
rotation et passant par le centre de gravité, est soutenue par la force centrifuge. Par contre, la matière en
dehors de ce plan, oscille de part et d’autre de ce plan. Àchaque fois qu’elle traverse ce plan, le
frottement avec le nuage de gaz et de poussière la ralentit. L’oscillation transverse par rapport àce plan
diminue donc inexorablement, et le système devient pratiquement plan.
Pierre BOUTELOUP
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4‐ Formationdesplanètes.Lesplanètesprovenantparconcentrationdecenuagedegazetde
poussièretournantautourduSoleil,tournentbienévidemmenttoutesdanslemêmesensautourdu
Soleil.Dansunpremiertemps,ledisquedegazetdepoussièreenrotationavecensoncentreleSoleil,
contientbeaucoupdegaz,essentiellement,enquantité,del’hydrogène,puisdel’héliumetenfinaussi
beaucoupdevapeurd’eau.

Audébut,ilseformelalignedeneigeàenviron8foisladistancedelaTerreauSoleil(8U.A.)Ils’agitd’une
coquillesphériquedecerayonoùlavapeurd’eauestsuffisammentloindelachaleurduSoleilpourse
condenserenglace,produisantuneaugmentationdeladensitédelanébuleuseparenvironunfacteur5.
Lescalculsmontrentque,àcetendroit,unnoyaurocheuxd’unemassed’environ10foislamassedela
Terreseformeen300000ans.Ilpeutalorsprovoquerl’accrétiongravitationnelledel’hydrogèneetde
l’héliumdelanébuleuse,avantquecesgaznesoientchassésenenvironunmilliond’annéesparlevent
solaire.DanscetterégionseformentlesplanètesgéantesJupiter,Saturne,UranusetNeptune.
UranusetNeptunen’ontpratiquementpasréussiàcapterdegazdelanébuleuse.Ilnefautdoncpas
parlerdesplanètesgazeusesengénéral,maisdesplanètesgéantes.EneffetUranusetNeptunesontdes
planètesglacéespratiquementdépourvuesd’hydrogèneetd’hélium(environquelquesmassesterrestres
decesgaz).
Lefaitquelesorbitesdesplanètessoientapproximativementcirculairesprovientdel’interactionavecles
planétésimaux(débrisdedifférentestailles)etlegaz.
LefaitqueJupitersesoitforméavantlesplanètesrocheusesestprouvéparlefaitqu’ilaempêchéla
formationd’uneplanèteauniveaudelaceintured’astéroïdesentreMarsetJupiter.Ilaeneffetempêché
l’accrétiondecesastéroïdespourformeruneplanètedelatailledeMars.Lesastéroïdessontdes
morceauxderochesolidepouvantatteindreplusieurskilomètresdetaille.Seulslesplusgroscomme
Cérès(leplusgrosastéroïde)sontsphériquesgrâceàunegravitationsuffisammentforte.Ilfautpourcela
unetailled’environ300kilomètres.
LesplanètesrocheusescommelaTerresesontforméesensuite,enentre10à100millionsd’annéesdans
unenvironnementsansgazparlalenteaccrétiondesplanétésimauxrocheuxàcettedistanceduSoleil.
L’eaudelaTerreprovientdelacollisiontardivedeplanétésimauxrichesenglacevenantdelalimitede
neige,c’est‐à‐diredelaceintureexterned’astéroïdes.
II‐Quelquesrepèresd’histoiredel’astronomie
1‐ L’antiquité.Dansl’antiquité,leshommespensaientquelaTerreétaitimmobileetaucentredu
monde.LeSoleiletlesplanètestournaientautourdelaTerreendécrivantdescercles,c’estlareprésentation
géocentrique.Ptolémée(90‐168)décritdansl’Almageste(publicationen141)lemouvementdesplanèteset
duSoleilautourdelaTerreàbased’emboîtementcommedespoupéesrussesdemouvementscirculaires
(Epicycles).
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Cemodèle,trèscomplexe,permetdefairedesprévisionsquantàlapositionfutured’uneplanètedansleciel
parmilesétoiles.Ilpermetbienderetrouverlarétrogradationdesplanètes,enparticuliercelledeMars.
Aucuneobservationàl’œilnunepermetdecontredirecemodèle.Celaexpliquepourquoiilaétéconservé
aussilongtemps.Ilfautfaireiciladistinctionentremodèleetthéorie.D’unemanièregénérale,unmodèle
utiliselesconceptsdisponiblespourdécrireunepartiedelaréalité.Enrevanche,unethéoriecontientde
nouveauxconceptscensésposséderunevaliditéuniverselle.LemodèledePtoléméecontientautantde
paramètresajustablesquecequ’ilveuttester.Ilneprésentedoncunaspectscientifiquequepourles
positivistes.Ilnereposesuraucunethéoriephysiquepréexistante.
2‐ LaRenaissance.Copernic(1473‐1543)dansDeRevolutionibuspubliéen1543proposeunsystème
géométriqueplussimplequeceluidePtolémée:leSoleilestaucentreettouteslesplanètes,ycomprisla
Terre,tournentautourdeluiendécrivantdescercles.Cesystèmehéliocentrique,contrairementàcelui
dePtolémée,permetd’expliquernaturellementlarétrogradationdeMarsetdesplanètesengénéral,sans
ajoutd’hypothèseadhocsupplémentaire.Maisilfaitmêmeplus:ilexpliqueladiminutiondela
rétrogradationquandonvadeMarsàJupiterpuisSaturne.Plusons’éloignedelaTerre,pluscemouvement
apparentderétrogradationdoiteneffetdiminuer.Untelaccordsoudainavecunemultitudedefaits
d’observationsàlasuited’unseulprincipe(larotationdesplanètesautourduSoleil)estlacaractéristique
d’unethéoriescientifiquevraie.
Cesystèmepermetd’expliquernaturellementpourquoilesplanètesmettentplusoumoinsdetemps,selon
leurdistanceauSoleilpourreprendrelamêmepositionparrapportauxétoiles.Ilexpliquenaturellement
pourquoiVénusetMercurenes’éloignentjamaisbeaucoupduSoleil.
Certes,Copernicaensuiterajoutéd’unemanièreadhocdespetitsépicyclespourexpliquerlarotationnon
uniformedesplanètessurcescercles.Eneffetlesplanètesdécriventenréalitédesellipses,géométriquement
pratiquementidentiquesàdescercles,maistoutdemême,ducoup,parcouruesàvitessevariable.Maiscet
ajoutadhocnedévalorisepasl’immenserévolutionqu’ilaintroduiteenastronomie.Sespetitsépicyclesne
sontlàquepourapporterdespetitescorrectionsqu’onpeutfacilementnégligerdanslemouvementdes
planètes,maisnesontpasnécessairespourexpliquerlesanomaliesfondamentalesdemouvementapparent
quesontlesrétrogradations,alorsquedanslemodèledePtolémée,ellessontnécessairespourexpliquerces
rétrogradations.
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Galilée(1564‐1642)faitpourlapremièrefoisdesobservationsducielavecuninstrumentd’optique,une
lunetteastronomique.Ildécouvredeschosesincroyablespoursescontemporains:desmontagnessurla
Lune,destachessurleSoleil,larotationduSoleilsurlui‐même«lemondeducieln’estdoncpasparfait»,des
satellitesautourdeJupiter«toutnetournedoncpasautourdelaTerre»,lesphasesetlesvariationsen
accorddelatailleapparentedeVénus,quifalsifientdéfinitivementlemodèledePtolémée.Eneffet,quand
VénusestdumêmecôtéduSoleilquelaTerre,ilestprochedelaTerredoncestvuavecunegrandetaille
apparente.Commeonlevoitéclairépar‐derrièreparleSoleil,onlevoitalorsencroissant.Quandilestdu
côtéopposédelaTerreparrapportauSoleil,ilestloindelaTerredoncvupetit,etcommeonlevoitéclairé
pardevant,onvoitundisquebienrond.
LesobservationsdeGaliléeconfirmentdoncparfaitementlesystèmedeCopernic:laTerretournesurelle‐
mêmeetautourduSoleil.Le12mars1610,ilpublieàVenisesesdécouvertesdansSidereusNuncius(Le
Messagercéleste).
Képler(1571‐1630)découvregrâceauxobservationsextrêmementprécisesdeTychoBrahé(1546‐1601)que
Marsauneorbiteelliptiqueetnoncirculaire.LaTerreetlesautresplanètesontaussiuneorbiteelliptique.
KepleraainsidécouvertlestroisloisditesdeKeplerquirégissentlesmouvementsdesplanètessurleurs
orbites.Lesdeuxpremièressontpubliéesen1609dansunlivreintituléAstronomiaNova.Latroisième
seulementen1618.LapremièreloiditquelesplanètesdécriventdesellipsesdontleSoleilestunfoyer.La
deuxièmeloiditquelesairesbalayéesparlesegmentdedroitejoignantleSoleilàlaplanètesont
proportionnellesauxtemps.LatroisièmeloidonneT2/a3=constante,Tétantlapériode,etaledemi‐grand
axe,soitlamoitiédelaplusgrandedimensiondel’ellipse.
3‐ Newton.Newton(1642‐1727)publieen1687sonœuvremajeure:PhilosophiæNaturalisPrincipia
Mathematic.IlydémontrelestroisloisdeKéplerdanslecadred’unethéoriephysique,lamécaniquede
Newton,totalementmathématisée,etapportantdenouveauxconcepts:masse,inertie,force,
gravitationuniverselle.Cettethéorierésoutdéfinitivementleproblèmedesmarées.
Vénus vu en position 2
Vénus vu en position 1
Terre
Vénus 1
Vénus 2
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NewtonutiliselesdécouvertesdeGaliléedeséparationdumouvementenlignedroiteparinertieetdu
mouvementdechutelibre.Pourunobjetdanslevide,soumisàlagravitationd’unautrecorps,onpeut
toujourspendantuncourtinstantdt,l’observerdepuisunvaisseauspatialquivaenlignedroiteàvitesse
constante,telqu’àl’instantinitialt=0,l’objetsoitimmobile.Danscevaisseau,onobservealorspourl’objet,
lepurmouvementdechutelibre.LahauteurdechuteestcelletrouvéeparGaliléeh=1gt2.gest
l’accélérationdelagravitéàcetendroit:g=GM/d2;Métantlamassedel’astreattirant,dladistance,etGla
constantedelagravitationuniverselle.testladuréedechute,depuisletempst=0,oùl’objetestimmobile.
Newtonendéduitlapropriétésuivante:Toutetrajectoired’uncorpsdansunchampdegravité,peutêtre
décomposéeenunesuiteinfiniededuréesinfinitésimalesdt.Pendantchaqueduréedt,lemouvementpeut
êtredécomposéenunpetitmouvementdetranslationenlignedroite,lemême,qu’ilauraitparinertiesila
gravitéétaitannulée,suivid’unmouvementdechutecommechuteraitàcetendroit‐là(oùaupointde
départdeladuréechoisiedt)unobjetimmobile.
Ilappliqued’abordcetteidéeaumouvementdelaLuneautourdelaTerre.L’été1666,Newtona23ans.Il
fuitCambridgeoùilyauneépidémiedepeste.Ilseretrouvedanslamaisondesamèreàlacampagneau
manoirdeWoolsthorpeàGranthamdansleLincolshire.Alorsqu’ilestassisd’unemanièrecontemplative
danslejardin,ilvoitunepommetomber.Làluivientl’idéegénialequelaLunetombepourcettemême
raisonverslaTerre.LaLuneresteàdistanceconstantedelaTerre,emportéeparsonélantangentiel.Il
racontecetépisodeàsonamiStukeleylesoir,aprèsdîner,le15avril1726,unanetdemiavantsamort,àun
momentoùilestavecsonamidanslejardinàprendrelethéauprèsd’unpommieràKensingtonprèsde
Londres.Lorsdel’épisodedelapomme,ilatoutdesuitel’idéedelagravitationuniverselle.Touslesobjets
matérielss’attirentenraisondeleursmasses,etdel’inverseducarrédeleursdistances.L’imageci‐dessous
estextraitedumanuscritrédigéen1666parNewtonoùilcalculeaveccetteidéeladuréederévolutiondela
LuneautourdelaTerreetoùiltrouvebien27jours.CemanuscritfutvuparDavidGregorylorsd’unevisite
chezNewtonen1694.Aveclemêmecalcul,onretrouvebienquelesplanètesdécriventapproximativement
descerclesautourduSoleilaveclafameuseloiT2/a3=constante.
En1728,NewtonpublieATreatiseOfTheSystemOfTheWorld,unlivredevulgarisationpourfaire
comprendresesidéessurlagravitationsanscalculs.Onytrouvelecélèbredessinci‐dessousoùonvoitqu’en
lançantunobjetd’unetourenl’élançantàl’horizontal,ensupposantqu’iln’yaitpaslefrottementdel’air,
l’objetaunetrajectoiredemoinsenmoinscourbée,jusqu’àceque,pourunecertainevitesseinitiale,la
courbureépousecommeilfautlacourburedelasurfaceterrestre,pourquel’objetsoitsatelliséàaltitude
constante.Ilyadonccontinuitéetmêmenatureentrelatrajectoirebalistiqued’unobjetlancédelasurface
delaTerrecommeunballondefoot,etlestrajectoiresdesplanètesautourduSoleil.
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