LE SYSTÈME SOLAIRE I

LESYSTÈMESOLAIRE
I‐FormationduSystèmesolaire
1‐Âge.LeSystèmesolaires’estforméilya4,5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àvoir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milliards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àl’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.Àchaquefoisqu’elletraverseceplan,le
frottementaveclenuagedegazetdepoussièrelaralentit.L’oscillationtransverseparrapportàceplan
diminuedoncinexorablement,etlesystèmedevientpratiquementplan.
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.
Pierre BOUTELOUP
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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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