Un Univers à l'échelle

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1 Introduction 3 Un Univers à l'échelle Les astres que nous observons nous semblent situés à l'intérieur d'une sphère creuse apparemment centrée sur la Terre et qu'on appelle la voûte céleste. Un observateur n'a pas la perception de la profondeur ou de la distance; il distingue seulement les positions angulaires (voir l'appendice A). Dans la première partie du cours, nous allons porter notre attention sur les mouvements d'ensemble des astres sur la voûte céleste (voir à ce sujet les Chapitres 6, 7 et 8). Cependant, au tout début, il est bon d'insister sur le fait qu'en réalité, les étoiles ne sont pas toutes situées à la même distance de nous. Par exemple, les groupes d'étoiles dans la même région générale du ciel que l'on appelle constellations ne sont que des projections sur la voûte céleste. Ce ne sont pas des associations physiques et les étoiles d'une même constellation peuvent être très éloignées les unes des autres. Continuer Page 1 sur 1

2 Objectifs du Objectifs du chapitre 3 gfedc Comprendre les différentes échelles de grandeur (spatiales et temporelles) utilisées en astronomie Cliquez pour imprimer Yannick Dupont V2.0, été 2001 Page 1 sur 1

3 Distances, dimensions et masses Pour se donner une idée grossière des distances et des dimensions, commençons par citer quelques nombres astronomiques! Le Tableau 3.1 présente la taille et la masse de la Terre et du Soleil ainsi que la distance moyenne qui les sépare. (Nous utilisons la notation exponentielle pour représenter les grands nombres; ceux qui ne sont pas familiers avec cette notation peuvent consulter l'appendice B) Table 3.1: Quelques nombres astronomiques Nom Symbole Valeur Rayon de la Terre R km Rayon du Soleil R km Masse de la Terre M 6 x Kg Masse du Soleil M 2 x Kg Distance moyenne Terre-Soleil U.A km Il s'agit vraiment de très grands nombres et, comme toujours en physique, on définit plutôt des unités ou des étalons plus appropriés pour simplifier la notation. Ainsi à l'échelle du système solaire nous utiliserons: étalon de taille: le rayon terrestre ( R ), étalon de masse: la masse terrestre ( M ), étalon de distance: la distance moyenne Terre-Soleil = 1 Unité Astronomique (U.A.). Avec ces étalons, on constate que: Ces étalons nous permettent de créer un modèle à l'échelle du système solaire comme celui de la Figure 3.1. Page 1 sur 5

4 Figure 3.1: Le système solaire Grâce à ce modèle, on se rend compte que le volume de l'orbite de Pluton ne contient essentiellement que du vide. En fait, les planètes sont à des distances énormes par rapport à leur dimension. Bien que ces étalons dépassent déjà Page 2 sur 5

5 l'imagination, ils ne sont plus appropriés dans le domaine stellaire (étoiles, galaxies, etc...). Par exemple, la distance entre le Soleil et l'étoile la plus proche de nous, α du Centaure, est de 4 x km ou U.A. Nous définissons donc de nouvelles unités telles le rayon et la masse du Soleil (R Θ et M Θ ) pour décrire les caractéristiques physiques des autres étoiles. Pour les mesures de distance, nous utiliserons de nouveaux étalons astronomiques, l'année-lumière et le parsec. Ces étalons sont définis de la façon suivante: 1 année-lumière (A.L.) est la distance parcourue par la lumière dans le vide en une année. 1 A.L. = v x t ( km/s) x (3 x 10 7 s) = 9 x km U.A. 1 parsec (pc) est la distance à laquelle la séparation angulaire entre la Terre et le Soleil vaut une seconde d'arc (voir le Chapitre 15). 1 pc = U.A. 3 x km 3.26 A.L. L'année-lumière n'est donc pas une mesure de temps, mais bien une mesure de distance. Si on utilise cet étalon à l'échelle du système solaire on trouve que: la distance Terre-Lune est de 1.3 secondes-lumière. la distance Terre-Soleil est de 8 minutes-lumière. la distance Terre-Jupiter varie entre 35 et 52 minutes-lumière. la distance Terre-Pluton varie entre 5.3 et 5.6 heures-lumière. C'est-à-dire qu'en voyageant à la vitesse de la lumière il faudrait 1.3 secondes pour atteindre la Lune, 8 minutes pour atteindre le Soleil, etc... Si on revient aux distances stellaires, on constate que ces étalons sont plus adéquats. Ainsi, la distance entre le Soleil et α du Centaure est de 4.3 A.L. ou 1.33 pc. Vu de cette étoile, le Soleil n'est plus qu'une étoile parmi les autres étoiles de notre galaxie, la Voie Lactée. Il en va de même pour les 5 x galaxies que nos télescopes nous révèlent. On se rend compte encore une fois que l'espace est pratiquement vide. Le Tableau 3.2 présente quelques autres distances typiques du domaine interstellaire et intergalactique. Table 3.2: Distances caractéristiques dans l'univers Nom Distance (A.L.) Distance (pc) Distance Soleil-centre de notre galaxie 3 x x 10 3 Diamètre de notre galaxie 1 x x 10 4 Distance moyenne entre 2 galaxies 1 x x 10 5 Distance entre 2 amas de galaxies 1 x x 10 7 Distance entre notre galaxie et les quasars 1 x x 10 9 Finalement, il faut remarquer que, puisque la lumière voyage à une vitesse finie ( km/s ) on observe donc les astres tels qu'ils étaient au moment où ils ont émis cette lumière. Donc, à tout instant on voit la Lune telle qu'elle était il y a 1.3 secondes, le Soleil tel qu'il était il y a 8 minutes, le centre de notre galaxie tel qu'il était il y a ans, etc... Plus on observe des objets éloignés, plus on regarde dans le passé! Page 3 sur 5

6 Temps L'âge de l'univers est estimé à environ 15 milliards d'années. Tout comme pour les distances, cette durée est réellement astronomique surtout si on la compare à la durée moyenne d'une vie humaine. Afin de bien apprécier la durée caractéristique des changements qui ponctuent l'évolution de l'univers, nous utiliserons, encore ici, un modèle à une échelle appropriée. Ce modèle, que nous appellerons le calendrier cosmique, comprime toute l'histoire de l'univers en une seule année. Dans notre calendrier cosmique, la naissance de l'univers se produit donc le 1er janvier à minuit, et le moment présent se retrouve au 31 décembre à 23 h 59 m 59. s Chaque seconde du calendrier correspond à 475 années de temps réel; 24 jours représentent 1 milliard d'années. Le Tableau 3.3 présente les jalons importants de l'évolution de l'univers et de la Terre dans le calendrier cosmique. Table 3.3: Le calendrier cosmique Événements Date Heure Naissance de l'univers 1er janvier 00 h 00 m 00 s Formation de notre galaxie 24 janvier Formation du système solaire 9 septembre Solidification de la croûte terrestre 14 septembre Apparition de la vie sur la Terre 30 septembre Différenciation sexuelle 30 novembre Apparition de l'oxygène atmosphérique 1er décembre Explosion du cambrien (poisson, trilobite, etc...) 17 décembre Premières plantes terrestres 19 décembre Premiers insectes 20 décembre Premiers amphibiens 22 décembre Premiers reptiles, premiers arbres 23 décembre Premiers dinosaures 25 décembre Extinction des dinosaures Premiers mammifères 30 décembre 10 h 00 m 00 s Premiers oiseaux Premiers primates 30 décembre 23 h 00 m 00 s Australopithèque 31 décembre 22 h 00 m 00 s Homo habilis 31 décembre 23 h 25 m 00 s Homo erectus 31 décembre 23 h 40 m 00 s Homme de Néanderthal 31 décembre 23 h 57 m 00 s Homme de Cro-Magnon 31 décembre 23 h 58 m 38 s Homo sapiens sapiens 31 décembre 23 h 58 m 57 s Début de l'histoire humaine 31 décembre 23 h 59 m 39 s Grèce antique 31 décembre 23 h 59 m 55 s Le calendrier cosmique nous permet de mieux saisir les différentes échelles de temps caractéristique à l'oeuvre dans l'univers. L'évolution des structures galactiques, stellaires et planétaires se fait sur des périodes de l'ordre du milliard d'années (de quelques dizaines de jours à quelques mois dans notre calendrier). Les structures biologiques nécessitent quelques millions d'années (quelques jours du calendrier) avant de montrer des changements appréciables. Comme on s'en doute, l'évolution sociale est beaucoup plus rapide. En fait, toute l'histoire de l'humanité ne dure que 21 secondes dans ce calendrier; la durée moyenne d'une vie humaine n'est qu'environ 0.15 seconde! Page 4 sur 5

7 Yannick Dupont V2.0, été 2001 Page 5 sur 5