Les dossiers pédagogiques du planétarium. La place de la Terre dans l'univers

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1 Les dossiers pédagogiques du planétarium La place de la Terre dans l'univers Ce dossier pédagogique vous aidera : - À préparer votre venue au planétarium - À prolonger votre visite par d'autres activités - À mieux connaître le sujet pour répondre aux questions que risquent de vous poser les élèves. Service éducatif du planétarium du Jardin des Sciences de Dijon. Animation La place de la Terre dans l'univers. Dossier enseignant 1

2 La place de la Terre dans l'univers Dossier enseignant Résumé La Terre n'est pas au centre de l'univers. Nous habitons une petite planète située dans un système solaire dans la banlieue d'une galaxie banale faisant partie d'un ensemble de milliards de galaxies. Mais il n'existe pas pour autant de planète de rechange Activités préparatoires Les élèves pourront avoir observé le ciel et des photos du ciel pour se poser des questions sur la nature des objets qui entourent la Terre (Lune, Soleil, planètes, étoiles ). Mais, pour cette animation, les élèves peuvent aussi venir sans préparation. Des activités complémentaires sont proposées à la fin de ce dossier après votre visite au planétarium. Compléments pour l'enseignant Historique Dans la plupart des cosmologies anciennes, la Terre est plate, surmontée d'une voûte céleste sur laquelle se trouvent le Soleil, la Lune, les planètes et les étoiles. Rappelons que les planètes sont connues depuis l'antiquité, non pas comme des boules tournant autour du Soleil, mais comme des points lumineux se déplaçant au milieu des constellations. Mercure, Vénus, Mars, Jupiter et Saturne sont les cinq planètes visibles à l'œil. Avec la Lune et le Soleil, cela fait 7 astres mobiles qui sont à l'origine des noms des 7 jours de la semaine, lundi (jour de la Lune), mardi (de Mars), mercredi (de Mercure), jeudi (de Jupiter), vendredi (de Vénus), samedi (de Saturne) et dimanche (qui vient de dies dominicus, jour du seigneur mais qui se dit en anglais sunday, jour du Soleil). La Terre était habité par les hommes et le ciel par les dieux. Ce n'est que depuis un peu moins de deux siècles que l'on sait que tout ce que l'on voit dans le ciel est constitué de matière semblable à celle que l'on connaît sur Terre. La Terre Il y a plus de 2000 ans, les Grecs avaient déjà compris que la Terre est ronde et en avançaient trois preuves : - quand un bateau s'approche, on voit son mât apparaître avant la coque ; - certaines étoiles sont visibles depuis l'afrique et pas depuis la Grèce ; - lors d'une éclipse de Lune, l'ombre de la Terre est toujours ronde. À cette époque, on considère que la Terre est fixe au centre du monde. Ératosthène avait calculé son rayon dès le 3 e siècle avant notre ère. Avec Copernic ( ) et Galilée ( ), on comprend que la Terre tourne sur elle-même et autour du Soleil. Elle perd alors sa position centrale au profit du Soleil. Étoiles et constellations On voit l'ensemble de la voûte céleste tourner autour de l'étoile Polaire mais les étoiles gardent les mêmes positions les unes par rapport aux autres ; par exemple, les 7 étoiles principales de la Grande Ourse forment toujours une casserole. Pour les Grecs, ces étoiles sont fixées sur une sphère (la sphère des fixes). Ils les regroupent en constellations, en relation avec leur mythologie (Hercule, Pégase, Orion ). À la fin du 16 e siècle, Giordano Bruno imagine que toutes les étoiles sont d'autres soleils entourés de planètes. Beaucoup d'astronomes pensent que les différences de luminosité des étoiles proviennent de leurs différences de distance. On s'apercevra plus tard qu'en réalité, la luminosité réelle est très variable d'une étoile à l'autre. L'éclat observé d'une étoile dépend à la fois de sa distance et de sa luminosité intrinsèque. La première distance d'étoile fut mesurée en 1838 par Bessel (méthode des parallaxes, voir page suivante). L'univers gagnait alors une dimension, sa profondeur. Service éducatif du planétarium du Jardin des Sciences de Dijon. Animation La place de la Terre dans l'univers. Dossier enseignant 2

3 Les planètes et le système solaire On sait que la Lune tourne autour de la Terre au moins depuis les Babyloniens. Sa distance a été calculée par les Grecs il y a plus de ans. Les cinq planètes visibles à l'œil nu (Mercure, Vénus, Mars, Jupiter, Saturne) changent de place dans le ciel en suivant des trajectoires complexes. Pour les Babyloniens, ce sont des dieux. Les Grecs chercheront à expliquer ces trajectoires à partir de combinaison de mouvements circulaires. Dans les différents modèles proposés, Mercure est habituellement la plus proche de la Terre (car la plus rapide dans le ciel) et Saturne la plus éloignée (la plus lente). Positions de la planète Mars de novembre 2011 à juin 2012 (une position tous les 5 jours) Avec Copernic et le système héliocentrique (le Soleil au centre), les trajectoires comme celle de Mars sur la figure ci-dessus s'expliquent simplement : on observe Mars qui tourne autour du Soleil depuis la Terre qui elle-même est en mouvement. Mars semble reculer lorsque la Terre la dépasse. Les trajectoires observées permettent de faire un plan du système solaire. Les planètes tournent autour du Soleil dans cet ordre : Mercure, Vénus, la Terre, Mars, Jupiter et Saturne. Pour connaître les distances, il faudrait savoir quelle est l'échelle de ce plan. La première mesure de distance de Mars sera faite au 17 e siècle (parallaxe diurne). Uranus sera découverte en 1781 et Neptune en En 1995, on a repéré la première planète tournant autour d'une étoile autre que le Soleil. On en connaît maintenant plusieurs centaines. La plupart sont des planètes géantes, plus faciles à détecter que les petites, mais plusieurs ressemblent à notre Terre. La Galaxie Nous observons dans le ciel environ étoiles à l'œil nu. Avec un télescope, on peut découvrir une multitude d'autres étoiles individuelles mais aussi d'autres types d'objets : des amas ouverts (amas d'étoiles sans structure particulière), des amas globulaires (amas d'étoiles de forme sphérique) ainsi que des objets flous que l'on a appelés nébuleuses. Au début du 20 e siècle, en étudiant les amas globulaires, Harlow Shapley s'aperçoit qu'ils ne sont pas répartis régulièrement sur la voûte céleste mais semblent entourer une région située dans la constellation du Sagittaire. Il comprend alors que toutes les étoiles que l'on observe ainsi que le système solaire font partie d'un vaste ensemble que l'on appellera notre Galaxie et dont le centre est situé dans le Sagittaire. Avec Copernic, la Terre avait perdu sa place centrale, remplacée par le Soleil. Avec Shapley, c'est le Soleil qui perd sa place de centre du monde. Les autres galaxies Dans la constellation d'andromède, on peut distinguer à l'œil nu dans un ciel bien noir une petite tache floue. L'astronome Al Sufi l'avait déjà notée sur ses cartes célestes au 10 e siècle. On l'appela pendant longtemps nébuleuse d'andromède. Dans les années 1920, Edwin Hubble y observe des étoiles individuelles qui varient d'éclat (des Céphéides), qui lui permettent de déterminer sa distance. Elle est extérieure à notre Galaxie! On s'aperçoit alors que l'univers est rempli de groupes d'étoiles qu'on appellera nébuleuses extragalactiques puis galaxies extérieures puis simplement galaxies (sans majuscule). Les galaxies sont organisées en amas et les amas de galaxies en superamas. Edwin Hubble s'aperçoit que la plupart des galaxies s'éloignent de nous. Cette observation est à l'origine de la théorie du Big-Bang, confortée ensuite par d'autres observations. Selon cette théorie, l'univers est né il y a un peu moins de 15 milliards d'années. Il continue depuis ce temps à être en expansion. Des observations récentes montreraient que cette expansion s'accélère alors qu'il y a une quinzaine d'années, on pensait qu'elle devait au contraire ralentir. Service éducatif du planétarium du Jardin des Sciences de Dijon. Animation La place de la Terre dans l'univers. Dossier enseignant 3

4 Glossaire Amas globulaire Amas contenant plusieurs milliers ou centaines de milliers d'étoiles en forme de globule, donc sphériques. Les amas globulaires facilement observables sont situés à la périphérie de notre Galaxie à des distances de à années-lumière. Ils sont constitués d'étoiles âgées. On en trouve aussi autour d'autres galaxies. Amas ouvert (ou amas galactique) Amas d'étoiles situé dans notre Galaxie contenant habituellement quelques centaines d'étoiles jeunes. Astéroïde Petite planète tournant autour du Soleil. La plupart sont situés entre l'orbite de Mars et celle de Jupiter (dans la ceinture d'astéroïdes). Le plus gros d'entre eux est Cérès, un astéroïde sphérique de 900 km de diamètre. Les plus petits ont des formes irrégulières. Certains peuvent croiser l'orbite terrestre et être amenés à frôler la Terre (earth-grazers). Constellation Groupe d'étoiles qui semblent proches dans le ciel et que l'on réunit pour former une figure. Les constellations que l'on utilise proviennent des Babyloniens, des Grecs, mais aussi d'astronomes plus récents en particulier pour l'hémisphère sud. La voûte céleste est maintenant découpée précisément en 88 constellations. Une constellation n'a aucune réalité physique. Ce n'est qu'un découpage pratique du ciel. On peut y trouver des objets proches comme des objets lointains. Étoile Sphère gazeuse abritant des réactions nucléaires lui permettant d'émettre de la lumière. L'étoile la mieux connue et la plus proche est le Soleil. Galaxie La Galaxie (avec un G majuscule) : ensemble de 100 à 200 milliards d'étoiles dans lequel se trouve le Soleil et le système solaire. Notre Galaxie a la forme d'un disque renflé au centre, d'environ années lumière de diamètre et années lumière d'épaisseur au centre. Ce disque est entouré d'un halo contenant des amas globulaires. On observe notre Galaxie de l'intérieur sous la forme de la Voie Lactée. Les galaxies (avec un g minuscule) : une galaxie est un ensemble contenant des milliards d'étoiles ainsi que du gaz et des poussières. On les a classées en différents types suivant leur forme : spirales, spirales barrées, elliptiques, irrégulières. Nébuleuse Nuage de gaz et de poussières interstellaires. Certaines de ces nébuleuses (comme la nébuleuse d'orion) sont des régions de formation d'étoiles. D'autres (comme les nébuleuses annulaires) sont des restes d'étoiles en fin de vie. Il existe aussi des nébuleuses obscures (comme celle de la Tête de Cheval) constituées de poussières cachant des régions plus lumineuses en arrière-plan. Planète Astre n'émettant pas de lumière tournant autour d'une étoile. Une planète se distingue d'une étoile parce qu'elle se déplace au milieu des constellations. On parle maintenant aussi d'exoplanètes tournant autour d'autres étoiles que le Soleil. Saturne. Photo PL/SAB M42. Photo FG/SAB M31. Photo SAB La Galaxie (schéma) Soleil. Photo PC/SAB Éros. M45. Photo MM/SAB M13. Photo CM/SAB Univers Ensemble de tout ce qui existe. Ce qui n'empêche qu'il existe des théories d'univers multiples (multivers). L'Univers est en expansion, deux galaxies s'écartent d'autant plus vite qu'elles sont éloignées. Service éducatif du planétarium du Jardin des Sciences de Dijon. Animation La place de la Terre dans l'univers. Dossier enseignant 4

5 Distances Rayon de la Terre Expérience réalisée par Ératosthène (3 e siècle avant notre ère) Le même jour à midi, on observe que le Soleil éclaire le fond d'un puits à Syène (S) alors qu'un obélisque à Alexandrie (A) a une ombre. Mesures : ADE = 1/50 tour donc ATS = ADE = 1/50 tour AS = stades On en déduit la circonférence de la Terre : = stades (Figure dans le plan du méridien) On a mesuré plus récemment que la Terre est aplati aux pôles (au 18 e siècle). Le rayon équatorial de la Terre mesure 6378 km son rayon polaire 6356 km. Distance de la Lune Première méthode (avec la durée d'une éclipse de Lune) La durée maximale d'une éclipse de Lune est de 2 heures (en réalité 1 h 45). La Lune avance de son diamètre apparent (0,5 ) en 1 heure. On peut donc mettre 3 lunes dans l'ombre de la Terre. Connaissant le diamètre de la Terre, on en déduit celui de la Lune. Et comme on connaît le diamètre apparent de la Lune (0,5 ), on peut trouver sa distance. Résultats d'aristarque : Diamètre de la Lune 1/3 du diamètre de la Terre Distance : un peu moins de 80 rayons terrestres En réalité, l'ombre de la Terre est conique et le diamètre de l'ombre est donc légèrement inférieur au diamètre de la Terre mais les Grecs savaient en tenir compte. Deuxième méthode (parallaxe diurne) Méthode utilisée par Lalande et Lacaille en 1751 depuis Berlin et Le Cap. On vise la Lune depuis deux points éloignés de la Terre. Connaissant la position de ces deux points sur la Terre et les deux directions de visée, on peut calculer la distance de la Lune. Troisième méthode (rayon laser) Expérience réalisée depuis l'observatoire de Nice. On envoie un rayon laser sur un réflecteur déposé à la surface de la Lune par les missions américaines. Connaissant la vitesse de la lumière, la mesure du temps que met ce rayon à faire l'aller et retour permet de calculer la distance de la Lune. Résultats La distance de la Lune varie entre km et km (entre 56 et 64 rayons terrestres). Distances du Soleil et des planètes Le plan du système solaire est connu depuis Copernic et encore mieux depuis Kepler. Il ne manque que l'échelle. Une seule mesure de distance permet donc d'en déduire toutes les autres. Première méthode (parallaxe diurne) On vise une même planète depuis deux points éloignés de la Terre. Si on connaît la position de ces deux points sur Terre et les deux directions de visée, on peut calculer la distance de l'astre. Sur le Soleil : Difficile. Angle très petit à mesurer (<18") et problème d'échauffement des instruments Sur Mars : Richer et Cassini en 1672 ont trouvé une parallaxe d'environ 10" km pour la distance Terre Soleil Sur Éros (astéroïde qui est passé à 22 millions de km de la Terre en 1931) km pour la distance Terre Soleil On a aussi utilisé des passages de Vénus devant le Soleil observés depuis deux lieux éloignés pour déterminer sa distance. Service éducatif du planétarium du Jardin des Sciences de Dijon. Animation La place de la Terre dans l'univers. Dossier enseignant 5

6 Deuxième méthode (écho radar) Écho radar sur Vénus en 1961 : la mesure du temps que met la lumière à faire l'aller et retour donne immédiatement la distance. La précision est de l'ordre du cm pour la Lune et du km pour les planètes. L'unité de base dans le système solaire est l'unité astronomique, demi-grand axe de l'orbite terrestre (plus simplement, la distance moyenne Terre-Soleil). Résultats L'unité astronomique vaut km Mercure Vénus Terre Mars Jupiter Saturne Uranus Neptune UA 0,387 0, ,524 5,203 9,555 19,22 30,11 km Distance des planètes au Soleil en unité astronomique et en km Distance des étoiles La méthode de la parallaxe diurne, valable pour la Lune ou pour Mars n'est pas utilisable pour les étoiles, trop lointaines. La distance entre deux observateurs terrestres est trop petite comparée aux distances des étoiles. Au lieu de faire deux mesures depuis deux points de la Terre, on vise une étoile à 6 mois d'intervalle. Pendant ce temps, la Terre a effectué un demi-tour autour du Soleil et se retrouve donc à km de sa position initiale. Si on observe une étoile proche, sa position par rapport à une étoile lointaine doit changer entre ces deux observations. En supposant l'étoile lointaine à l'infini, on peut calculer la distance de l'étoile proche. La parallaxe d'une étoile E est l'angle p sous lequel on verrait le rayon de l'orbite terrestre depuis cette étoile. La première parallaxe d'étoile a été mesurée par Bessel en 1838 sur l'étoile 61 du Cygne. Il trouva une parallaxe de 0,35" (soit l'équivalent d'un écart de 1 cm vu à 7 km). Toutes les étoiles (hormis le Soleil) ont une parallaxe inférieure à 1". Cette technique est à l'origine d'une autre unité de mesure de distance, le parsec (abréviation de PARallaxe SEConde). Une étoile est à 1 parsec (abréviation pc) si sa parallaxe est d'une seconde d'arc. 1pc 3,26 al (al = année-lumière, voir plus bas). Il existe d'autres méthodes de mesure de distance pour les étoiles lointaines, comme la parallaxe spectroscopique. L'observation du spectre d'une étoile permet de connaître son type. Celui-ci donne son éclat réel, la relation entre le type et l'éclat ayant été calibrée à partir d'étoiles proches dont la distance a été mesurée auparavant. En comparant l'éclat réel à l'éclat observé, on détermine la distance. Distance de Sirius : 8,6 années lumière (al) ; de l'étoile Polaire : 400 al ; de Deneb : ou al Une année-lumière (ou année de lumière) = distance parcourue par la lumière en un an = km. Distance des galaxies Les Céphéides sont des étoiles dont l'éclat varie périodiquement. L'observation de Céphéides proches (dont on avait mesuré la distance et calculé leur luminosité) a permis d'établir une relation entre leur période et leur éclat réel. Si on observe une Céphéide dans une galaxie lointaine, sa période donne sa luminosité réelle. En comparant avec la luminosité observée, on en déduit sa distance. Il existe d'autres méthodes de calcul des distances de galaxies. On essaie de déterminer l'éclat réel de la galaxie (à partir de sa vitesse de rotation ou du type de galaxie par exemple), on compare avec la luminosité observée et on en déduit sa distance. Pour une galaxie lointaine, on mesure sa vitesse de fuite grâce à son spectre. La loi de Hubble (provenant de l'expansion de l'univers) relie cette vitesse de fuite à la distance. Distance de la galaxie d'andromède : al ; de M51 (galaxie des Chiens de Chasse) : al ; des galaxies les plus lointaines observées : plus de al. Service éducatif du planétarium du Jardin des Sciences de Dijon. Animation La place de la Terre dans l'univers. Dossier enseignant 6

7 Activités complémentaires Représentations à l'échelle Le système solaire Il est très difficile de réaliser un plan du système solaire en gardant la même échelle pour les diamètres des planètes et leurs distances au Soleil. Ce n'est néanmoins pas impossible. Voici un exemple de plan à l'échelle 1/ (1 mm représente km) où Neptune est située à plus d'un kilomètre du Soleil : Nom Mercure Vénus Terre Lune Mars Jupiter Saturne Uranus Neptune Soleil Diamètre (mm) 1,2 3 3,2 0,9 1,7 35, Distance (m) 14, ,4 0, (Les distances indiquées sont les distances Soleil planète sauf pour la Lune où il s'agit de la distance Terre Lune) Pour une maquette plus facilement réalisable, on peut utiliser deux échelles, une pour les distances et une autre pour les diamètres. On pourra conserver par exemple l'échelle de 1/ pour les diamètres et choisir une échelle de 1/ (1 mm représente km) pour les distances en divisant tous les résultats de la dernière ligne du tableau par 100. Étoiles et galaxies À l'échelle de 1/ , Uranus est à 11 m du Soleil. La plus proche étoile, Proxima du Centaure, est alors à 100 km et l'étoile Polaire à environ km! Notre Galaxie aurait un diamètre de plus de 2 millions de km et la galaxie d'andromède, une des plus proches, serait située à 70 millions de km En réduisant encore d'un facteur 1000 (1 cm pour 4 milliards de km), Uranus passe à 11 mm, la plus proche étoile à 100 m, l'étoile Polaire à 9 km, la galaxie d'andromède à km En réduisant encore d'un facteur 1000, la plus proche étoile est à 10 cm, l'étoile Polaire à 9 m, la galaxie d'andromède à 70 km On voit donc qu'il est très difficile de se rendre compte de la structure de l'univers et des distances énormes qui séparent les astres. Durée d'un voyage Pour appréhender l'immensité de l'univers, il est amusant de calculer le temps d'un voyage imaginaire vers des astres lointains en choisissant sa vitesse. à la vitesse d'un TGV (300 km/h) à la vitesse d'une sonde spatiale extrêmement rapide (30 km/s) à la vitesse de la lumière ( km/s) Lune 53 jours 3 h 30 min 1,3 s Soleil 57 ans 58 jours 8 min Saturne 544 ans 1 an 1/2 1 h 20 min Étoile la plus proche années ans 4 ans Service éducatif du planétarium du Jardin des Sciences de Dijon. Animation La place de la Terre dans l'univers. Dossier enseignant 7

8 Observation Il est intéressant de faire observer les différents types d'objets du ciel. Pour le Soleil, attention à ne jamais l'observer directement, on peut se brûler la rétine de manière définitive. Pour la Lune, elle est observable le soir en premier quartier, toute la nuit en pleine Lune, le matin en dernier quartier. Les planètes tournent autour du Soleil et changent donc continuellement de position. Pour savoir où et quand on peut les observer, on peut utiliser des logiciels d'astronomie ou consulter des sites Internet (comme le site du Rectorat, voir ci-dessous). Voici quelques objets du ciel profond faciles à observer : - Amas ouvert : Les Pléiades, visibles à l'œil nu, à observer aux jumelles en hiver et au printemps, dans la constellation du Taureau. Amas double de Persée, entre Cassiopée et Persée (automne hiver). Amas de la Crèche, dans le Cancer (hiver printemps). Ces deux derniers amas sont à observer de préférence aux jumelles (on les devine à l'œil nu). - Nébuleuse : M42, dans Orion. À observer aux jumelles. - Amas globulaire : M13, dans Hercule. Visible aux jumelles comme une petite tache floue ou au télescope. - Voie Lactée : visible toute l'année mais surtout en été, dans les constellations du Cygne, de l'aigle et du Sagittaire, dans un ciel bien noir (sans Lune et loin des lampadaires). - Galaxies : M31, la galaxie d'andromède, est visible à l'œil nu dans un ciel bien noir en automne mais il vaut mieux des jumelles pour la trouver. Logiciels, sites, images, vidéos Stellarium (logiciel gratuit) Pour avoir l'état du ciel un jour donné à l'heure voulue, avec tout ce qu'il y a à observer (étoiles, constellations, amas ) Célestia (logiciel gratuit) Permet d'observer le ciel et de se promener dans l'univers. ((Ressources pédagogiques / Arts et culture / Ressources - Actualités / astronomie). Les évènements astronomiques de l'année en Bourgogne (positions des planètes ) Site du Comité de Liaison Enseignants et Astronomes. Nombreux renseignements et activités pour les enseignants sur Lunap. Site de la NASA avec de très nombreuses photos utilisables gratuitement. Site de l'agence Spatiale Européenne avec aussi de nombreuses images. L'univers connu en vidéo, video de 6 min qui nous emmène de l'himalaya aux quasars, réalisée par l'american Museum of Natural History. Disponible en français sur ciel des hommes (cidehom.com) Vidéo "Puissance de 10", de l'infiniment petit à l'infiniment grand. Service éducatif du planétarium du Jardin des Sciences de Dijon. Animation La place de la Terre dans l'univers. Dossier enseignant 8