Seconde Sciences Physiques et Chimiques Activité ère Partie : L Univers Chapitre 1 Correction. Où sommes-nous?

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1 Où sommes-nous? Savoir où nous sommes dans l Univers est une question fondamentale à laquelle les scientifiques de toutes les époques ont apporté des réponses, grâce aux moyens qui étaient les leurs. Pour Ptolémée (II ème siècle), l un des plus grands scientifiques de l Antiquité, la Terre est au centre de l Univers dans lequel se déplacent les corps célestes ; il répertoria le mouvement de plus de d entre eux. Notre vision actuelle est différente : la Terre fait partie du Système solaire qui, lui-même, fait partie d une galaxie, la Voie Lactée (ou la Galaxie), elle-même faisant partie de nombreuses galaxies disposées dans l Amas local, autour d un Grand Attracteur Notre système solaire est composé d une étoile autour de laquelle gravitent de nombreux corps, dont les planètes, les astéroïdes, les comètes Cette étoile, si grosse qu elle renferme l essentiel de la masse du système solaire tout entier, est le Soleil. Certaines planètes, comme Mercure ou Mars, étaient connues de Ptolémée. D autres, comme Uranus ou Neptune, invisibles à l œil nu, ont été découvertes grâce à des télescopes rudimentaires ; l invention et la perfection de la lunette par Galilée lui a permis de découvrir les 4 plus gros satellites de Jupiter : Io, Ganymède, Callisto, Europe. On dénombre aujourd hui 8 planètes et 165 satellites naturels. La construction de télescopes puissants a révélé d autres corps du système solaire comme la planète naine Eris (2003 UB 313) en 2005, située 38 fois plus loin du Soleil que notre Terre. De même que notre système solaire est une organisation de corps qui gravitent autour du Soleil, la Voie Lactée est une organisation de 200 à 400 milliards d étoiles, dont notre (très banal) Soleil. Comme de nombreuses galaxies, la Voie Lactée possède une forme spirale dite barrée. Toutes ces connaissances résultent de l étude de la lumière qui nous parvient des corps célestes. L astrophysique actuelle est confrontée au problème de l énergie et de la matière «sombres» : la masse des galaxies estimée par comptage des étoiles de ces dernières n est pas en accord avec les effets gravitationnels observés (on parle de masse lumineuse et de masse dynamique). La matière noire constituerait ainsi 83 à 90% de la densité matérielle de l Univers observable. De la même façon, pour près de 70% de la densité énergétique de l univers observable, l énergie sombre (liée à la constante cosmologique en relativité générale) assurerait un pendant répulsif à une gravitation exclusivement attractive, et permettrait d expliquer la courbure quasi nulle de l espacetemps tel qu il est décrit aujourd hui par le modèle cosmologique standard, en accord avec les observations les plus récentes. Questions (recherches à effectuer) 1. Quelle est l étymologie du mot «planète»? Planète est issu d un mot latin signifiant «astre errant» ; elle tire son nom de son mouvement apparent dans le ciel au fil des nuits car, contrairement aux étoiles qui semblent tourner autour de l étoile Polaire, leur mouvement est beaucoup plus tordu 1

2 Mouvement apparent des étoiles Appareil ouvert 1h en direction de la Polaire Mouvement apparent de Mars Superposition de photos quotidiennes (2003) 2. D où viennent les noms des quatre satellites joviens découverts par Galilée? Dans ses Métamorphoses, le poète grec Ovide raconte les conquêtes amoureuses du roi des Dieux, Jupiter (Zeus en mythologie grecque) : la prêtresse Io, la nymphe Callisto, le jeune héro troyen Ganymède et Europe, fille du roi de Tyr. 3. Pluton est-elle une planète? Découverte par C. Tombaugh en 1930, Pluton était alors la plus lointaine planète du système solaire ; toutefois, ce petit astre (comparable à Mercure), doté d un satellite (Charon) a une orbite très différente des autres planètes, très excentrique et inclinée sur l écliptique. Depuis 2006, Pluton a rejoint la catégorie des planètes naines, comme Eris ou Cérès, et il a fallu changer les manuels scolaires en ne comptant plus que 8 planètes dans le système solaire 4. La distance Terre-Soleil est de 150 millions de kilomètres en moyenne. Calculer cette distance en minutes-lumière et commenter. Combien de temps la lumière solaire met-elle pour parvenir à Eris? dts km minutes-lumière 8, soit 8,33 minutes-lumière. La lumière du Soleil met un 3, peu plus de 8 minutes à nous parvenir ; pour atteindre Eris, 38 fois plus éloignée du Soleil que nous, elle met 38 fois plus de temps, soit un peu plus de 5 heures. 5. Les fusées les plus rapides peuvent aujourd hui être lancées à 60 km/s : jusqu où, à votre avis, l Homme peut-il s aventurer dans l Univers? Tout dépend de la durée que l on estime raisonnable de voyager En une année, à cette vitesse, il est possible d aller à , = km, ce qui permet de sortir du système solaire certes, mais qui ne permet pas de rallier la première étoile, Proxima du Centaure, à 4,3 a.l de nous, soit environ km près de fois plus loin, donc nécessitant ans de voyage! S il existe une probabilité non négligeable qu une planète similaire à la Terre s y trouve, les visites risquent d être impossibles avec la technologie disponible aujourd hui. Gageons pour conclure que les voyages intersidéraux posent de nombreux problèmes liés notamment à l hostilité du milieu spatial La Relativité développée par Einstein (notamment) offre des espoirs également : imaginez que pour un voyageur très rapide, le temps ne passe pas à la même allure que sur Terre (mais plus rapidement)! En bref, il reste beaucoup, beaucoup de chemin à parcourir, dans tous les sens du terme. 2

3 Dans les films de science-fiction (Armageddon, Deep Impact ), il n est pas rare que les scénaristes imaginent un astéroïde qui entre dans notre système solaire et menace la Terre. Que pensez-vous de cette idée? «La visualisation d une situation, impliquant des distances ou des dimensions trop considérables pour être parlantes, nécessite la réduction à une échelle plus familière. Le rayon du Soleil est à peu près cent fois plus grand que celui de la Terre : réduisons-le à la taille d un pamplemousse, et que devient le système solaire? La Terre a la grosseur d une tête d épingle située à 12 m, et l énorme Jupiter a la taille d une cerise à un peu plus de 60 m.» D après L. Gouguenheim, Méthodes de l Astrophysique, Hachette Education (1981). 1. Qu est-ce qui remplit l espace interplanétaire du système solaire? Entre les planètes du système solaire existe le vide. 2. A l échelle donnée dans le texte, quelle pourrait être la taille d un astéroïde? Un astéroïde a une taille négligeable devant Jupiter ; s il atteint le kilomètre de diamètre (ce qui est déjà très rare), alors que Jupiter a un diamètre de plus de km, la comparaison amorcée dans le texte est sans appel : si Jupiter était une cerise (de 2 cm de diamètre par exemple), l astéroïde aurait un diamètre de l ordre du dixième de micromètre! 10 à 100 fois plus petit qu un grain de poussière, en somme. 3. La probabilité pour qu un astéroïde percute la Terre semble-t-elle importante? La probabilité d une rencontre n est pas nulle ; il existe des astéroïdes géocroiseurs répertoriés (leur trajectoire approche celle de la Terre on en connaît plus de aujourd hui). Toutefois, à bien y réfléchir, cette rencontre constitue un événement extrêmement rare compte tenu de l immensité du système solaire comparée à la taille de la Terre, et plus encore à la taille de l astéroïde. Par ailleurs, l atmosphère met à mal les objets la pénétrant : beaucoup de météorites restent des étoiles filantes et n atteignent même pas la surface terrestre ; on considère tout de même qu environ 500 lithes de la taille d une balle de tennis atteignent la surface de la Terre chaque année. Le Meteor Crater, en Arizona, est un cratère en bol mesurant entre et mètres de diamètre ; sa profondeur est de 190 mètres. Il se serait formé il y a environ ans, à la suite de l'impact d'une météorite d'environ 45 mètres de diamètre et d'une masse de tonnes, composée de fer et de nickel. 3

4 Depuis le début des années 1990, le cratère de Chicxulub, au Yucatan, est l objet de différentes études. Il s agit incontestablement d un cratère d origine météoritique s étant formé il y a 65 millions d années, au moment où 70 % des espèces vivantes ont disparu. La météorite avait un diamètre de l ordre de 10 km et a laissé un cratère d environ 180 km de diamètre. Ci-contre, un relevé combiné gravimétriquemagnétique de la région. La communauté scientifique s accorde aujourd hui sur l hypothèse selon laquelle cet impact serait à l origine de l extinction des dinosaures à la fin du Crétacé. Ouverture : vers l infiniment petit 4. Quel serait le rayon de l atome si celui de son noyau était comparable au rayon d un ballon de football (11 cm)? Les électrons pourraient-ils être représentés par les joueurs? Dans les faits, le rayon de l atome est de l ordre du dixième de nanomètre (l angström, 1 Å = m) alors que celui du noyau atomique est de l ordre du femtomètre (1 fm = m) : l atome est donc 10 5 fois plus étendu que son noyau. Si le noyau atomique était représenté par un ballon de foot, l atome lui-même aurait un rayon de cm = 1, cm = 1, m = 1, m = 11 km. Nous sommes bien loin des dimensions d un terrain de football, ce qui laisse à penser que les électrons tiendraient davantage du grain de poussière que du joueur 5. Qu y a-t-il entre le noyau et les électrons qui «gravitent» autour? Très exactement : du vide! A tel point que le vide est le constituant essentiel de la matière. Conclusion générale «La matière est essentiellement lacunaire, aussi bien au niveau microscopique qu au niveau macroscopique.» Entre les planètes du système solaire, entre les étoiles d une galaxie, entre les galaxies de l Univers, il y a du vide, de même qu au sein de l atome : c est ce qu on appelle le caractère lacunaire (lacune = vide, manque) de la matière, et ce caractère se retrouve à toute échelle. 4

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