Table des matières
Avant-propos............................................................................................. 5 Chapitre 1 : Introduction......................................................................... 7 1.1 Définitions...................................................................................... 7 1.2 Historique....................................................................................... 8 1.3 Distances et dimensions.............................................................. 33 Je teste mes connaissances................................................................ 34 Chapitre 2 : Les astres et leurs mouvements..................................... 2.1 Le système solaire........................................................................ 2.2 Les astres et les phénomènes visibles à l’œil nu......................... 2.3 Les mouvements de la Terre........................................................ 2.4 Repères et coordonnées............................................................... 2.5 Le mouvement des astres............................................................. Je teste mes connaissances................................................................
37 37 41 43 46 51 54
Chapitre 3 : Instruments et techniques d’observation.................... 3.1 La lunette astronomique.............................................................. 3.2 Le télescope.................................................................................. 3.3 Le télescope spatial...................................................................... 3.4 Les nouveaux télescopes.............................................................. 3.5 Les radiotélescopes...................................................................... 3.6 Les stations spatiales permanentes............................................. Je teste mes connaissances................................................................
57 57 59 62 65 68 70 71
Chapitre 4 : Le système Terre-Lune..................................................... 4.1 La Terre......................................................................................... 4.2 La Lune......................................................................................... 4.3 Description de la Lune................................................................. 4.4 Les phases de la Lune.................................................................. 4.5 Les marées.................................................................................... 4.6 Les éclipses................................................................................... Je teste mes connaissances................................................................
73 73 76 78 81 84 85 91
Chapitre 5 : Les planètes du système solaire..................................... 93 5.1 Les caractéristiques des planètes................................................ 93 5.2 Mercure......................................................................................... 94 5.3 Vénus............................................................................................ 96 5.4 Mars.............................................................................................. 98 5.5 Jupiter......................................................................................... 100
Table des matières
3
5.6 Saturne....................................................................................... 5.7 Uranus........................................................................................ 5.8 Neptune...................................................................................... 5.9 Les planètes naines.................................................................... Je teste mes connaissances..............................................................
102 104 106 108 109
Chapitre 6 : Les comètes et notre système solaire......................... 6.1 Les astéroïdes............................................................................. 6.2 Les météorites............................................................................ 6.3 Les comètes................................................................................ 6.4 Notre système solaire................................................................. Je teste mes connaissances..............................................................
111 111 115 118 122 123
Chapitre 7 : Les étoiles (première partie)........................................ 7.1 Le Soleil...................................................................................... 7.2 La structure du Soleil................................................................. 7.3 Classification spectrale.............................................................. 7.4 Diagramme Hertzsprung-Russell.............................................. 7.5 Les étoiles les plus brillantes..................................................... 7.6 La magnitude.............................................................................. 7.7 Les étoiles doubles..................................................................... Je teste mes connaissances..............................................................
125 125 128 130 131 133 140 140 141
Chapitre 8 : Les étoiles (deuxième partie)....................................... 8.1 La formation d’une étoile.......................................................... 8.2 La vie d’une étoile....................................................................... 8.3 La mort d’une étoile...................................................................
143 143 145 150
Chapitre 9 : Les galaxies...................................................................... 9.1 La Voie lactée.............................................................................. 9.2 Le groupe local........................................................................... 9.3 Les formes des galaxies.............................................................. 9.4 Le mouvement des galaxies....................................................... 9.5 Les propriétés physiques des galaxies.......................................
159 159 160 163 164 166
Chapitre 10 : La cosmologie................................................................ 10.1 Définition et historique............................................................ 10.2 Mythes et légendes................................................................... 10.3 L’état stationnaire..................................................................... 10.4 La théorie du Big Bang............................................................
169 169 171 175 176
Chapitre 11 : L’Univers ........................................................................ 11.1 Le domaine extragalactique.................................................... 11.2 Les quasars............................................................................... 11.3 L’apparition de la vie sur Terre................................................ 11.4 La civilisation extraterrestre....................................................
179 179 183 184 186
Conclusion ............................................................................................. 191 Lexique ................................................................................................... 193 Index ....................................................................................................... 203
4
L’astronomie Pour comprendre l’Univers
Avantpropos
L’astronomie – Pour comprendre l’Univers propose la découverte du cosmos et des éléments qui le composent. Cet ouvrage se divise en onze chapitres contenant chacun une leçon et mettant en lumière les aspects importants de l’astronomie, l’une des sciences les plus anciennes. On y propose d’abord une introduction à l’histoire de l’astronomie, une description des astres et de leurs mouvements, des instruments et des techniques d’observation. On y explique ensuite le système Terre-Lune, les planètes du système solaire et les comètes qui s’y trouvent, les étoiles (leur classification, leur naissance, les réactions nucléaires qui s’y déroulent), de même que les galaxies (leur forme, leur situation dans l’espace). Enfin, on fait un survol des théories cosmologiques menant jusqu’aux confins de l’Univers. L’ouvrage L’astronomie – Pour comprendre l’Univers, rédigé de manière accessible, se veut à la fois un ouvrage d’initiation et de référence en astronomie.
Avant-propos
5
Chapitre
1 Introduction Ce chapitre présente les faits marquants dans l’histoire de l’astronomie et les personnages clés qui ont contribué à son évolution.
1 . 1
Définitions
De façon générale, une science est constituée d’un ensemble cohérent de connaissances acquises au moyen d’une méthode scientifique. Cette méthode se base sur trois principes : 1. l’observation de phénomènes ou de résultats d’expériences ; 2. la formulation d’hypothèses qui décrivent ces phénomènes en accord avec l’ensemble des connaissances établies ; 3. la vérification de ces hypothèses afin de voir si elles prédisent et décrivent correctement les nouveaux phénomènes ou le résultat de nouvelles expériences. L’astronomie est une science qui porte sur l’observation, le mouvement et l’évolution des corps célestes. Elle consiste avant tout en une science d’observation, car elle se base uniquement sur l’information qui parvient à la Terre. La chimie, la sociologie et nombre d’autres sciences permettent d’accomplir des progrès à la suite d’expériences qui agissent sur des objets, des sujets ou des phénomènes. Quant à l’astrophysique, elle se préoccupe de l’interprétation des observations astronomiques à l’aide des lois de la physique. De nos jours, grâce aux sondes et aux satellites, il est possible d’obtenir davantage d’information en astronomie. Cette information, toutefois, est limitée par les possibilités de la technologie actuelle.
Chapitre 1 Introduction
7
1 . 2 Historique Première étape : L’astronomie primitive Les premiers hommes sont apparus sur la Terre il y a deux millions d’années, au début de l’époque quaternaire. L’Homo sapiens a vu le jour en l’an 100000 avant Jésus-Christ. Les premières villes, la roue et la navigation à voile datent environ de 12000 av. J.-C. À cette époque, l’astronomie était très rudimentaire, car les scientifiques croient que les cadrans solaires ont fait leur apparition vers l’an 1500 av. J.-C. Pour la plupart des civilisations de l’époque, la Terre était plate et circulaire. On la croyait entourée d’un grand océan sur lequel elle flottait. Les Égyptiens l’imaginaient rectangulaire, comme leur pays. Les civilisations anciennes voyaient les cieux sous la forme d’une calotte où circulaient les chars des dieux représentés par les astres. Au-delà de cette calotte, il y avait encore de l’eau, provenant de la pluie. Pour les Chinois et les Hébreux, la Terre est soutenue par des piliers, tandis que les Indiens l’imaginent portée par des éléphants. Sous sa surface, ou dans les cavernes souterraines, se trouveraient le Pays des morts et les Enfers. Dans la plupart des civilisations anciennes, l’astronomie consiste d’abord à observer, à l’œil nu, des phénomènes passagers, tels que comètes, météores, étoiles filantes et novæ. Elle aide également à se servir du mouvement du Soleil et de la Lune sur la voûte céleste afin de mesurer le t emps au moyen de calendriers et de cadrans solaires. L’astronomie est donc une science pratique. Le mouvement des astres s’avère commode pour prédire le changement des saisons, ce qui est important pour l’agriculture, l’organisation de longs voyages et des campagnes militaires. L’astronomie sert également à raffermir certaines croyances qui n’ont rien à voir avec les sciences. Par exemple, les Sumériens, qui habitaient la Mésopotamie un peu a vant l’an 2000 a v. J.-C., ont main tenu une activité astronomique orientée vers l’astrologie. Leur prin cipale déesse était Innana, ce qui veut dire « reine des cieux ». Elle sera plus tard identifiée à Ishtar, déesse sémitique de l’amour, de la guerre et de la planète Vénus. Le groupe sémitique comprend notam ment les peuples arabe, hébreu et araméen. On trouve les preuves du
8
L’astronomie Pour comprendre l’Univers
Source : Shutterstock 12954376 © E. Sweet
Le site de Stonehenge, en Angleterre
caractère astral d’Innana dans les plus vieux documents écrits connus, trouvés au site archéologique d’Uruk, une localité de basse Mésopotamie, près de l’Euphrate (fleuve d’Asie), et objet de f ouilles à comp ter de 1928. Il y a quatre m ille ans, l’astronomie é tait une science plus ou moins secrète, gardée par les prêtres pour protéger leur statut et le pouvoir qu’ils avaient acquis grâce, entre autres, à leurs prédictions astronomiques. Les anciens Égyptiens s’adonnaient aux observa- tions des principaux astres. En 3000 a v. J.-C., ils a vaient déjà établi une année solaire de 365 jours qu’ils modifièrent à 365 1/4 jours p our faire correspondre le calendrier au retour des saisons. Sirius, l’étoile la plus brillante du ciel, était très observée, à cause de la coïncidence de son lever héliaque (en même t emps que le Soleil) avec la crue du Nil. La science qui étudie l’astronomie primitive (ou préhistorique) s’appelle « archéoastronomie ». C’est une science relativement jeune. Elle est née avec l’étude des orientations astronomiques des temples égyptiens, vers 1890. Cette science vise à déchiffrer les textes anciens, les pictogrammes et les hiéroglyphes, et à expliquer la présence de tout vestige de structures orientées vers des points spécifiques du ciel. Ces monuments mégalithiques (menhirs, dolmens, cromlechs et alignements) se trouvent surtout dans certaines régions de la GrandeBretagne et de la France. Chapitre 1 Introduction
9
Pythagore vers 570 av. J.-C. – vers 480 av. J.-C.
Anaxagore vers 500 av. J.-C. – vers 428 av. J.-C.
Philolaos 470 av. J.-C. – ?
Platon 428 av. J.-C. – 348 av. J.-C.
12
• philosophe et mathématicien grec ; né à Samos (île grecque de la mer Égée, près de la Turquie) • découvre le fameux théorème de Pythagore • suggère que la Lune et la Terre sont de forme sphérique
• philosophe grec ; né à Clazomènes (aujour d’hui ville de Turquie, près de Téos, où se trouvent les ruines d’un fameux temple de Dionysos, dieu grec de la vigne, du vin et du délire extatique) • affirme que le Soleil est une pierre enflammée plus grosse que le Péloponnèse (presqu’île du sud de la Grèce) • est l’un des premiers à tenter de calculer la distance Terre-Soleil
• philosophe et astronome grec • fonde une école pythagoricienne à Thèbes, ancienne ville de Haute-Égypte (au sud du Caire) • est le premier à énoncer l’hypothèse que la Terre est en mouvement
• philosophe grec ; né à Athènes • suppose que la Terre est immobile au centre commun des « sphères » • produit une série de modèles géométriques des mouvements planétaires, mais certains phénomènes restent inexpliqués • aborde dans ses derniers dialogues des problèmes de cosmologie
L’astronomie Pour comprendre l’Univers
Chapitre
3 Instruments et techniques d’observation Ce chapitre propose une description des instruments et des techniques d’observation depuis le début des observations en astronomie.
3 . 1 La lunette astronomique En 1608, les premières lunettes d’approche apparaissent en Hollande. Celle pouvant servir à l’observation d’astres est construite en 1610 par Galilée. Elle comporte un objectif, c’est-à-dire une lentille convergente de grand diamètre et de grande distance focale. La figure ci-après illustre une lentille convergente traversée par un rayon lumineux provenant de l’infini et parallèle à l’axe optique.
Rayons lumineux
Source : Jean-Pierre Urbain
F Axe optique
f
F : foyer réel f : distance focale
Chapitre 3 Instruments et techniques d’observation
57
La figure ci-dessous présente l’effet obtenu lorsque le rayon lumineux provient d’un objet situé à une distance définie de la lentille convergente.
Source : Jean-Pierre Urbain
Objet
F
Axe optique
Image réelle inversée
L’image ainsi obtenue est observée à l’aide d’une deuxième lentille convergente nommée « oculaire ». On obtient une deuxième image agrandie et de même sens que l’objet. On dit que cette image est vir tuelle. Ce type de lunette est appelé « télescope réfracteur ». L’une des plus puissantes lunettes astronomiques du monde est sans doute celle de l’Université de Chicago (observatoire de Yerkes) qui a un objectif de 102 centimètres de diamètre. Elle fait 19 mètres de long. Une lunette de cette dimension est fort encombrante ; c’est pour quoi, de nos jours, les astronomes se servent de télescopes.
Les plus grandes lunettes astronomiques du monde Observatoire
Pays
Année
Yerkes
É.-U.
1897
102 cm
Lick
É.-U.
1888
91 cm
Meudon
France
1893
83 cm
Potsdam
Allemagne
1899
80 cm
58
L’astronomie Pour comprendre l’Univers
Diamètre de l’objectif
Quelques-uns des plus grands télescopes réflecteurs du monde Nom de l’observatoire
Emplacement
Pays propriétaire
Année
Diam. (m)
Very Large Telescope (VLT)
Cerro Paranal Chili
Pays européens (ESO)
1998 2003
16,00 (4x8,2)
Gran Telescopio Canarias (GTC)
La Palma Canaries
Espagne
2003
10,4 (36x1,9)
Hobby-Eberly Obs. McDonald
mont Fowlkes Texas
États-Unis
1997
11,00 (91x1,0)
Observatoire W.-M.-Keck
Mauna Kea Hawaii
États-Unis
1992 1997
2x10,00 (36x0,9)
South African LargeTelescope
Sutherland Afrique du Sud
Afrique du Sud
2003
9,20
Subaru
Mauna Kea Hawaii
Japon
1999
8,20
Projet Gemini Nord
Mauna Kea Hawaii
G.-Bretagne, États-Unis Canada, Chili, Brésil Argentine, Australie
1999
8,00
Projet Gemini Sud
Cerro Pachón Chili
G.-Bretagne, États-Unis Canada, Chili, Brésil Argentine, Australie
2001
8,00
Magellan 1 et 2
Cerro Manqui Chili
États-Unis
2000 2002
6,50
Zelentchouk Astrophysique
mont Pastoukhov Caucase, Russie
Russie
1976
6,00
Observatoire Hale
mont Palomar Californie
États-Unis
1949
5,08
Multi-Mirror Telescope
mont Hopkins Arizona
États-Unis
1997
4,45 (6x1,82)
National Kitt Peak
Kitt Peak Arizona
États-Unis
1973
4,01
Inter-Amériques
Cerro Tololo Las Campanas, Chili
États-Unis
1974
4,01
Anglo-australien
Siding Spring Nouvelles-Galles du Sud, Australie
Australie et G.-Bretagne
1974
3,88
Canada-FranceHawaii
Mauna Kea Hawaii
Canada, France et États-Unis
1979
3,60
Observatoire de Haute-Provence (OHP)
Haute-Provence Lubéron
France
1967
2,00
Observatoire du Mont-Mégantic
Mont-Mégantic Québec
Canada
1978
1,60
Chapitre 3 Instruments et techniques d’observation
61
3 . 3 Le télescope spatial L’ère spatiale a débuté avec le lancement, par les Américains, d’une fusée V2 allemande en 1946. Le but de cette mission était d’observer le rayonnement ultraviolet du Soleil. L’envoi de sondes spatiales et de télescopes spatiaux a vraiment débuté dans les années 1960. Les télescopes spatiaux sont placés en orbite autour de la Terre, à l’extérieur de l’atmosphère. Les avantages d’un tel procédé sont nom breux. On évite l’agitation causée par l’air (vent), l’absorption due aux particules constituant l’atmosphère et la lumière parasite du fond du ciel et celle des villes qui se trouvent près des observatoires terrestres. Le plus connu est sans doute le télescope spatial Hubble, lancé par les États-Unis, le 25 avril 1990, après plusieurs années d’attente et quel ques mésaventures. Ce projet de la NASA a vait été annoncé au début des années 1970. On sait que le lancement du premier télescope spatial américain a été retardé à cause de l’explosion de la navette spatiale Challenger en janvier 1986, ce qui fait que son coût réel a été de 3 m illiards de dollars américains au lieu du 1,2 m illiard projeté. Les principales caractéristiques du télescope spatial Hubble sont les suivantes (au moment de sa mise sur orbite) : • capacité d’observation dans le domaine du visible, de l’infrarouge et de l’ultraviolet • miroir primaire de 2,4 mètres de diamètre • masse totale de 11 600 kilogrammes • dimensions : 13,1 mètres de long et 4,3 mètres de diamètre • orbite à 590 kilomètres d’altitude • système de pointage et de guidage perfectionné • caméra à très grand champ au foyer • caméra planétaire et une autre pour objets de faible luminosité, un photomètre à grande sensibilité et deux spectrographes (l’un à faible résolution et l’autre à haute résolution) • capacité de détection d’objets d’une intensité lumineuse 50 fois plus faible que les télescopes terrestres • champ de vision sept fois plus éloigné dans l’espace • fonctionnement entièrement automatique, télécommandé depuis la Terre
62
L’astronomie Pour comprendre l’Univers
Le télescope spatial Hubble
Antenne de communication à grand gain Panneau solaire
Ouverture Miroir Volet mobile secondaire de protection Déflecteurs
Instruments électroniques
Source : NASA, NSF, and PBS-K12 Learning Services
Capteur solaire
Miroir principal Panneau solaire Module d’instruments Enveloppe protectrice arrière
Dispositif de guidage
Antenne de communication à grand gain
Comme prévu, des astronautes ont réparé Hubble dans le but de corriger définitivement la myopie causée par sa lentille défectueuse. Ils lui ont ins tal lé cinq pai res de ver res cor rec teurs, des mi roirs courbes d’environ 2 centimètres de diamètre. Ces miroirs correc teurs ont été montés à l’extrémité de bras mécaniques installés dans un module ajouté au télescope. De plus, les astronautes en ont pro fité pour enlever plusieurs instruments défectueux (gyroscopes, ordinateurs, caméra, unités de commande) qu’ils ont remplacés par de nouveaux éléments. Ils ont également installé de nouveaux capteurs solaires. Une seconde mission a eu lieu en février 1997 à l’aide de la navette américaine Discovery. Les astronautes ont alors procédé à la révision de certains instruments du télescope. Chapitre 3 Instruments et techniques d’observation
63
Source : NASA, STS-117 Shuttle Crew
3 . 6 Les stations spatiales permanentes Plusieurs projets de stations spatiales ont déjà été étudiés, surtout par les Américains. On se souvient du projet nommé «Freedom» qui a dû être abandonné en raison de compressions budgétaires imposées à la NASA par le président Clinton, en 1993. Néanmoins, la NASA a conçu un projet en remplacement de Freedom qui consiste en une station spatiale permanente habitée à environ 444 kilomètres de la Terre. Ce projet d’envergure internationale nommé «Station spatiale internationale» (SSI) devrait être réalisé d’ici 2010. Il s’agit d’une station spatiale similaire à Freedom de la taille d’un terrain de football (74,7 m) qui peut accueillir six astronautes. Sa construction, qui a débuté en juin 1998, nécessitera plus d’une vingtaine de voyages en navette. De conception modulaire, la station sera construite conjointement par les États-Unis, le Canada, le Japon, la Russie, la France et l’Italie. On y effectuera des travaux de quatre types. En astrophysique, on étudiera les phénomènes solaires, les télécommuni cations, l’environnement terrestre ainsi que la physique du globe et des planètes. La seconde mission sera de type commercial et servira à la production en état La Station spatiale internationale d’apesanteur de certains produits tels que des alliages d’aluminium et de cuivre. On y préparerait peut-être aussi des microbilles de latex parfaitement sphériques. L’avantage de la fabrication en apesanteur est l’obtention d’un produit parfaitement homogène. Une autre mission commerciale aura comme objectif l’assem blage d’antennes de très grande taille et la réparation dans l’espace de satellites de télévision. Enfin, la quatrième mission portera sur l’observation. La mise en place de grands télescopes, de panneaux so laires, de radiotélescopes ou d’antennes paraboliques et la construc tion de grands hangars constitueront les principaux objectifs de cette mission. Les panneaux solaires fournissant l’électricité pourront générer environ 110 kilowatts. De plus, la station est conçue de façon à être
70
L’astronomie Pour comprendre l’Univers
agrandie facilement, et la NASA pourra éventuellement y effectuer toutes les expériences prévues à l’origine pour Freedom. D’autres projets plus ambitieux consistent à construire des bases permanentes sur la Lune, et même sur Mars. Ces projets ne verront sans doute pas le jour, du moins pas avant les années 2025, ou même 2050. Pourtant, l’idée est parfaitement réalisable et la Lune ferait un bon site d’observation. De plus, le sol lunaire contient beaucoup d’oxygène. En construisant une usine de transformation à la surface de la Lune, il serait possible d’y fabriquer du carburant à base d’oxygène. Si les vaisseaux utilisés sont construits de façon à fonctionner avec de l’oxygène lunaire en guise de carburant, cela permettra des vols économiques. Les 700 tonnes de combustible contenues dans le réservoir des navettes sont constituées de 600 tonnes d’oxygène et de 100 tonnes d’hydrogène. Pour les voyages vers Mars, la Lune pourrait devenir une station de ravitaillement en carburant. Il faut moins de carburant pour quitter la surface lunaire que la surface terrestre à cause de l’accélération gravitationnelle qui est environ six fois plus petite. Pour l’instant, ces projets sont mis de côté par la NASA. La seule étude sur l’envoi de missions habitées est évaluée à un demi-milliard de dollars.
Je teste mes connaissances 1.
Qui fut le premier astronome à utiliser une lunette d’approche pour faire des observations astronomiques ?
2. Qu’est-ce qu’un télescope réfracteur ?
Chapitre 3 Instruments et techniques d’observation
71
3. Quels types de miroir sont utilisés dans un télescope de type Newton ?
4. Donnez deux avantages des télescopes spatiaux.
5. Expliquez le fonctionnement d’un télescope au mercure.
6. Quel est l’intervalle de fréquences des ondes radio que l’on peut capter à l’aide d’un radiotélescope ?
7. Donnez le nom d’un(e) astronaute québécois(e) qui a séjourné dans la station spatiale internationale.
8. Quels types d’onde peut-on capter (observer) à l’aide du télescope spatial Hubble ?
9. Qu’est-ce que la distance focale d’une lentille ?
10. Donnez deux avantages inhérents à la construction des grands observatoires à très haute altitude (ex. : au sommet du Mauna Kea).
1 1. Comment se nomme le plus grand observatoire du Québec ? Quel est le diamètre de son miroir principal ?
12. À quelle vitesse voyage la lumière ? Et le son ?
72
L’astronomie Pour comprendre l’Univers
Chapitre
5 Les planètes du système solaire Ce chapitre présente les principales caractéristiques des autres planètes du système solaire. On distingue maintenant trois catégories de planètes : terrestre, jovienne et naine. Cette dernière catégorie d’astres est apparue à la suite de la destitution de Pluton à titre de planète, en août 2006.
5 . 1 Les caractéristiques des planètes Les planètes, ces astres sans lumière propre, gravitent autour du Soleil sur des orbites elliptiques. Mercure et Vénus, plus proches du Soleil que la Terre, sont désignées sous le vocable de « planètes inférieures ». Les autres sont les planètes supérieures. La révolution d’une planète est l’intervalle de temps mis par cette dernière pour accomplir un tour complet autour du Soleil. Sa rotation représente l’intervalle de temps nécessaire pour effectuer un tour sur elle-même. Le rapport entre la quantité de lumière réfléchie par un astre et celle qu’il reçoit s’appelle « albédo ». Il s’agit du pourcentage de lumière réfléchi par la surface d’un astre. Au début des sections 5.2 à 5.9, un espace est prévu pour résumer les principales caractéristiques de chacune des planètes de notre système solaire. Source : Shutterstock 5652520 © Jim Mills
Planètes de notre système solaire
Chapitre 5 Les planètes du système solaire
93
5 . 6 Saturne Distance du Soleil : Diamètre : Albédo : Satellite(s) naturel(s) : Atmosphère :
Accélération gravitationnelle : Anneaux : Rotation : Révolution : Inclinaison :
Source : Jean-Pierre Urbain
Tailles relatives de Saturne et de la Terre
102
L’astronomie Pour comprendre l’Univers
Saturne, connu sous le nom de « Chronos » chez les Grecs an ciens, était le dieu romain du temps et de l’agriculture. Observés pour la première fois en 1610 par Galilée, les anneaux de Saturne sont pro bablement l’un des plus beaux spectacles qu’on puisse voir dans le ciel. Ils sont composés de particules solides et de poussières. On a longtemps cru que Saturne é tait la seule planète entourée d’anneaux, mais les voyages des sondes Pioneer et Voyager ont dé montré que toutes les planètes joviennes possèdent des anneaux. De plus, contrairement à ce que semblaient indiquer les observations de puis la Terre, la sonde Voyager 2 a montré que les anneaux de Saturne ne sont pas constitués de larges zones homogènes. Ils sont formés de milliers de minces anneaux concentriques donnant à l’ensemble l’as pect d’un disque de vinyle. Saturne est une planète constituée surtout d’hydrogène et d’hélium, encerclée de bandes de nuages formés de cristaux d’ammoniaque. La faible densité de la planète révèle qu’elle ne contient que très peu de matière solide. Saturne étant plus loin du Soleil que Jupiter, les variations de température y sont moindres, et son atmosphère est moins active que celle de Jupiter.
Source : iStockphoto 26496831 © MarcelC
Un autre fait intéressant : Titan, l’un de ses satellites naturels, se compare par bien des aspects aux planètes terrestres. Par sa dimen sion, il se situe entre Mercure et Mars. C’est l’un des s euls satellites naturels (avec Triton [de Neptune]) qui maintienne une atmosphère importante. Comme dans le cas de notre planète, l’azote moléculaire (N2) est le principal constituant de cette atmosphère. En 1993, deux as- tronomes français La planète Saturne ont découvert une nouvelle molécule organique (CH3CN) dans l’atmosphère de Titan. Peut-être observerons-nous dans quelques mil lions d’années une certaine forme de vie à la surface de Titan !
Chapitre 5 Les planètes du système solaire
103
5 . 9 Les planètes naines
Cérès (1)
Pluton Hauméa Makémaké Éris
(134 340)
(136 108)
(134 472) (136 199)
Distance du Soleil :
Diamètre :
Satellite(s) naturel(s) :
Accélération gravitationnelle :
Rotation :
Révolution :
Inclinaison :
Pendant longtemps, on identifiait huit planètes dans notre système solaire. Cependant, la mécanique newtonienne laisse supposer la présence d’une autre planète. L’astronome américain Clyde Tombaugh se met à scruter le ciel en comparant des clichés pris soir après soir, dans le but de découvrir cette fameuse planète X. Finalement, le 18 février 1930, lorsqu’il regarde successivement deux photos de la même région du ciel, prises à quelques jours d’intervalle, une étoile semble se promener parmi les autres qui demeurent immobiles. Cette étoile s’avère être la planète Pluton, la neuvième de notre système solaire. Toutefois, Pluton perd son titre de planète en 2006 et est reclassée en tant que planète naine. Pluton, du nom du dieu des Enfers, serait peut-être un ancien satellite de Neptune qui, en passant près de Triton, aurait été éjecté hors de son orbite pour se retrouver à l’endroit où il est présentement. Pluton possède maintenant cinq satellites naturels. Charon a été découvert en 1978 par l’astronome américain J.W. Christy.
108
L’astronomie Pour comprendre l’Univers
Pour l’instant, cinq astres seulement ont le titre de planète naine : Cérès, Pluton, Hauméa, Makémaké et Éris. Mais d’autres astéroïdes, comme Sedna (90 377), Orcus (90 482), Varuna (20 000) et Quaoar (50 000), pourront peut-être un jour être reclassés comme planètes naines. Depuis le classement de Pluton comme une planète naine, notre système solaire est constitué de huit planètes, de plus de 180 satellites naturels, de centaines de milliers d’astéroïdes et peut-être de milliards de météorites et de comètes.
Je teste mes connaissances 1.
Associez chacun des satellites naturels ci-dessous à sa planète.
a) Mimas
f) Ganymède
b) Titan
g) Titania
c) Triton
h) Amalthée
d) Phobos
i) Deimos
e) Japet
j) Callisto
2. Quelle planète est la plus rapprochée du Soleil ?
Quelle est la plus éloignée ?
3. Sur quels astres de notre système solaire trouve-t-on encore des volcans en activité de nos jours ?
4. Quels astres de notre système solaire possèdent une atmosphère composée principalement d’azote ?
Chapitre 5 Les planètes du système solaire
109
5. Quelle planète de notre système solaire a une inclinaison (donc des saisons) identique à celle de la Terre ?
6. Quelle est la température de surface maximale de ces planètes ? a) Mercure
b) Vénus
c) Mars
7. À la surface de quelle planète trouve-t-on...
a) la Grande Tache rouge ?
b) le Olympus Mons ?
c) la Grande Tache sombre (GDS) ?
d) le mont Maxwell ?
8. Quelle est la provenance des différents noms qui ont été donnés aux satellites naturels de la planète Uranus ?
9. Quel est le nom de la sonde qui a atteint Saturne en 2004 ?
10. Quelles planètes de notre système solaire possèdent des anneaux ?
Source : Shutterstock 2771945 © Andrea Danti
Diamètre comparé du Soleil et des planètes
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L’astronomie Pour comprendre l’Univers
Chapitre
9 Les galaxies Dans ce chapitre, il sera question des galaxies et de leurs carac téristiques.
9 . 1 La Voie lactée Une galaxie est un ensemble d’étoiles qui tournent toutes autour d’un noyau commun appelé « le centre de la galaxie ». Tout autour de notre galaxie, il y en a d’autres qui, elles-mêmes, contiennent des centaines de milliards d’étoiles. D’après des estimations récentes, l’Univers contiendrait plus de cent milliards de galaxies dont un milliard sont observables. D’ailleurs, il y a tellement de galaxies dans notre Univers qu’il est impossible de toutes les nommer. Seules les plus proches de la Terre portent un nom, comme la grande galaxie d’Andromède. D’autres sont identifiées à l’aide d’un numéro du catalogue NGC (New General Catalogue), ou encore de la lettre M suivie d’un numéro du catalogue de Charles Messier. Le Soleil est l’une des étoiles constituant la Voie lactée, notre galaxie. Les astronomes estiment qu’il y a environ 200 milliards d’étoiles dans la Voie lactée. Si l’on exclut notre galaxie, seulement trois d’entre elles sont visibles à l’œil nu à partir de la surface terrestre, les deux Nuages de Magellan dans le ciel austral et la galaxie d’Andromède dans le ciel boréal. Les petits télescopes permettent de voir quelques dizaines de galaxies, mais on ne peut distinguer les milliards d’étoiles qui les constituent.
Chapitre 9 Les galaxies
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Les illustrations à la page 161 représentent l’aspect d’une galaxie spirale normale, telle que la Voie lactée. Une galaxie de ce type a pour centre un noyau entouré d’un volume d’étoiles de forme plus ou moins sphérique. Il s’agit du renflement central. Les bras spiraux encerclent le noyau et contiennent en majeure partie du gaz et des poussières interstellaires. C’est à cet endroit que se trouvent les étoiles récemment formées et très brillantes. Les détails de notre galaxie, exception faite de ceux autour de notre système solaire, ne sont pas très bien connus. C’est d’ailleurs l’observation des autres galaxies voisines qui permet d’imaginer la forme de la nôtre. À l’intérieur du renflement central se trouvent les étoiles plus âgées, c’est-à-dire des étoiles de type K et M. La galaxie tout entière effectue un mouvement de rotation autour de son centre. En plus de ce mouvement de rotation, les galaxies ont également leur vitesse propre (voir page 164), ce qui corrobore l’hypothèse du principe de l’expansion de l’Univers. En 1917, l’Américain Harlow Shapley détermine les dimensions de la Voie lactée et la position du Soleil à l’intérieur de celle-ci. Les résultats auxquels il est arrivé montrent que la distance du centre de la galaxie au Soleil est de 30 000 années-lumière, le Soleil occupant l’un des bras spiraux de la Voie lactée. Le diamètre de cette dernière est de 100 000 années-lumière. D’après des données toutes récentes, le Soleil serait à 50,8 annéeslumière au-dessus du plan moyen du disque galactique. Son diamètre ferait 97 800 années-lumière et la distance entre le Soleil et le centre de la galaxie serait d’environ 24 500 années-lumière.
9 . 2 Le Groupe local Chaque galaxie a des voisines, c’est-à-dire des galaxies qui sont très près d’elle, comparativement aux galaxies lointaines. C’est ce qu’on appelle « un groupe ou un amas de galaxies », c’est-à-dire un re groupement de galaxies assez proches les unes des autres. Le Groupe local de galaxies, dans lequel se trouve la Voie lac tée, est constitué aussi de la galaxie naine du Grand Chien, des deux Nuages de Magellan, de deux autres galaxies spirales dans les
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L’astronomie Pour comprendre l’Univers
Source : NASA, Space Telescope Science Institute
La galaxie spirale NGC 3949 : une galaxie identique à la Voie lactée
Source : NASA, E. L. Wright (UCLA), The COBE Project, DIRBE
La Voie lactée en infrarouge
constellations d’Andromède et du Triangle (respectivement dé si gnées sous les noms de M 31 et M 33) et, enfin, de plus de 45 systèmes moins lumi neux de forme sphérique, elli ptique ou irrégulière.
Les plus proches voisines de la Voie lactée sont la galaxie naine du Grand Chien, à 42 000 années-lumière, la galaxie naine du Sagittaire, à 77 000 années-lumière et les deux galaxies qui ont été observées pour la première fois par l’équipage de Magellan : le Grand Nuage de Magellan et le Petit Nuage de Magellan. Ces deux dernières sont des ga laxies de forme irrégulière, visibles dans l’hémisphère Sud. Le Grand Nuage de Magellan (GNM) se trouve à 146 300 années-lumière du Soleil et le Petit Nuage de Magellan (PNM), à 250 000 années-lumière. Ces petites galaxies se trouvent à l’intérieur du champ gravita tionnel de la Voie lactée ; elles gravitent autour d’elle comme des sa tellites. Cette situation est très courante dans l’Univers. De grandes galaxies spirales, comme la Voie lactée, s’entourent en général de plu sieurs satellites formés par de petites galaxies.
Chapitre 9 Les galaxies
161
Dans notre Groupe local, la plupart des petites galaxies sont ras semblées autour des deux grandes galaxies dominantes, la Voie lactée et la galaxie d’Andromède (M 31). Andromède est une galaxie spirale normale environ deux fois plus massive que la Voie lactée. Elle se trouve à 2,7 millions d’années-lumière de la Terre. Étant donné les mouvements des ga laxies, Andromède et la Voie lactée s’approchent à chaque seconde de 122 kilomètres l’une de l’au tre. Dans quel ques milliards d’an nées, la distance qui sépare la Terre de M 31 sera deux fois plus pe tite qu’aujourd’hui, ce qui fait qu’Andromède paraîtra deux fois plus grosse dans le ciel. La figure ci-après montre les principales galaxies formant le Groupe local. Les deux galaxies les plus importantes de ce groupe sont la Voie lactée et la galaxie d’Andromède. Chaque cercle possède un rayon d’un million d’années-lumière, ce qui fournit une approxima tion des distances entre les galaxies de ce groupe. Le Groupe local
Système du Lion II Système du Lion I
NGC 147
Système de la Grande Ourse
NGC 185 Galaxie d’Andromède NGC 205
M 32 M 33
Système de la Petite Ourse
Système du Sextant
Système du Dragon
Galaxie naine du Sagittaire
Voie lactée
Système de Pégase
GNM PNM
Système du Sculpteur Système du Fourneau
Source : Jean-Pierre Urbain
1 million d’al
NGC 6822 2 millions d’al
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L’astronomie Pour comprendre l’Univers
9 . 3 Les formes des galaxies En 1926, Edwin Hubble propose une classification des galaxies selon leur forme. Cette classification, purement morphologique, ne tient pas compte de l’évolution des galaxies. Celles-ci sont si vastes et les phénomènes se déroulant sur des périodes si longues que l’on possède peu d’information sur leur naissance et leur évolution. Les différents types de galaxies
Spirales normales
Sa
Sb
Sc
Sd
Spirales barrées
SBa
SBb
SBc
SBd
Elliptiques
E0
E4
Lenticulaires
SO
SBO
E5
Irrégulières
Chiens de chasse
NGC 4753
Chapitre 9 Les galaxies
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Edwin Hubble 1889-1953
• astronome américain • démontre, en 1923, que l’espace est peuplé de galaxies • élabore, en 1926, une classification pour les galaxies • énonce, en 1928, la loi de Hubble selon laquelle le décalage (vitesse de récession) est proportionnel à l’éloignement de la galaxie prise en considération (ce qui confirme la théorie de l’expansion de l’Univers)
9 . 4 Le mouvement des galaxies À partir d’observations, on sait maintenant que les galaxies loin taines s’éloignent les unes des autres. Toutes les galaxies s’éloignent effectivement les unes des autres, sauf lorsqu’elles sont maintenues par des liens gravitationnels comme dans le Groupe local. Ce phéno mène confirme, entre autres, le principe de l’expansion de l’Univers. De plus, à partir d’observations et de mesures, on a pu s’apercevoir que plus une galaxie est éloignée de la nôtre, plus elle s’éloigne rapi dement de nous. Dans la constellation de la Vierge, par exemple, un amas de plu sieurs milliers de galaxies évalué à une distance de 50 m illions d’annéeslumière s’éloigne de la Voie lactée à la vitesse de 1 200 km/s. L’amas de la Couronne boréale, à 940 m illions d’années-lumière, s’éloigne à la vitesse de 22 000 km/s. L’amas du Bouvier, à environ 1,7 milliard d’années-lumière, a une vitesse d’éloignement de 40 000 km/s, soit la vitesse de la lumière divisée par 7,5. Ces données permettent de mesurer la vitesse des galaxies. Ce phénomène physique s’appelle « l’effet Doppler ». Cependant, au-delà d’une certaine distance (envi ron 3 milliards d’années-lumière), les télescopes ordinaires ne peuvent mesurer l’effet Doppler. Effet Doppler Si une source lumineuse s’éloigne d’un observateur, sa couleur a tendance à changer par décalage vers le rouge ; si elle s’approche de
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L’astronomie Pour comprendre l’Univers
LEXIQUE
Vous trouverez ci-dessous de brèves définitions de quelques termes souvent employés en astronomie.
A Albédo Rapport entre la quantité de lumière que réfléchit la surface d’un astre et celle qu’elle reçoit. Amas globulaire Regroupement d’étoiles serré rassemblant plusieurs centaines de milliers d’étoiles toutes très âgées. Les amas globulaires se trouvent autour des grandes galaxies comme la Voie lactée. Amas ouvert Regroupement d’étoiles rassemblant quelques dizaines ou centaines d’étoiles jeunes. Les amas ouverts se trouvent à l’intérieur de grandes galaxies comme la Voie lactée. Un exemple bien connu : les Pléiades. Anneau d’Einstein Mirage prenant l’aspect d’un anneau, créé lorsqu’il y a alignement parfait entre une source lumineuse lointaine, un astre massif agissant comme lentille gravitationnelle et nous (l’observateur). Année-lumière Distance que parcourt la lumière en une année, soit 9,46 x 1012 km. Aphélie Point de l’orbite d’un astre (par exemple, une planète) le plus éloigné du Soleil. Apogée Point de l’orbite d’un astre (par exemple, un satellite) le plus éloigné de la Terre. Archéoastronomie L’archéoastronomie est l’étude des moyens utilisés par les peuples anciens pour observer les astres et certains phénomènes
astronomiques, depuis les époques préhistoriques jusqu’aux cultures les plus évoluées du Moyen-Orient et d’Amérique du Sud. Ascension droite L’une des deux coordonnées équatoriales sur la sphère céleste, l’équivalent des longitudes sur Terre. Son origine est le point vernal. Astéroïde Masse rocheuse ou pierreuse trop petite pour être considérée comme une planète, souvent appelé « planétoïde ». Les asté roïdes observés jusqu’à maintenant varient de quelques dizaines de mètres à plusieurs centaines de kilomètres. Astrolabe Ancien instrument d’observation qui permettait de positionner les astres (par exemple, les étoiles) dans le ciel. Astrométrie Branche de l’astronomie qui inventorie les étoiles et fournit des catalogues de coordonnées stellaires. L’astrométrie évalue la position, la distance et le mouvement des étoiles et des autres objets célestes. Astronomie Science qui porte sur l’observation des astres et sur l’étude du mouvement et de l’évolution des corps célestes et de la structure de l’Univers. Astrophysique Science qui se préoccupe de l’interprétation des observations astronomiques à l’aide des lois de la physique et des mathématiques. Aurore Phénomène céleste produit par l’arrivée de particules solaires dans l’atmosphère terrestre qui créé un voile luminescent dans la haute atmosphère.
Lexique
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L'ASTRONOMIE
Jean-Luc Legault 2e édition
Pour comprendre l’Univers L’astronomie – Pour comprendre l’Univers propose des notions essentielles afin de se familiariser avec les phénomènes planétaires, plus particulièrement avec ce qui les compose et les influence. Dans cette 2e édition, tous les chapitres ont été mis à jour afin de rendre compte des nouvelles découvertes en astronomie. De plus, un tout nouveau lexique permettra aux lecteurs de trouver rapidement une définition claire et concise des principaux termes utilisés dans ce domaine. Cet ouvrage présente d’une manière accessible : • l’histoire de l’astronomie : les personnages clés et les découvertes qui ont contribué à faire évoluer cette science au cours des siècles ; • les astres et leurs mouvements : d’où viennent-ils et comment se comportent-ils ? • les instruments et les techniques d’observation : leur origine et leur utilisation depuis les débuts de l’observation astronomique ; • le système Terre-Lune : ses dimensions et ses interactions sur des phénomènes tels que les marées et les éclipses ; • les éléments qui composent notre Univers : la formation et le mouvement des planètes, des comètes, des étoiles et des galaxies ; • la cosmologie et la théorie du Big Bang : l’histoire et le but de chacune de ces parties de l’astronomie ; • le concept d’Univers : peut-on expliquer sa naissance et les probabilités d’y trouver une forme de vie extraterrestre ?
L’astronomie – Pour comprendre l’Univers se veut à la fois un ouvrage d’initiation et de référence permettant de démystifier cette science et de saisir les enjeux planétaires qui nous entourent. Jean-Luc Legault est professeur au Département de physique du cégep de Saint-Jérôme. Passionné d’astronomie, il enseigne cette science et donne des conférences sur différents sujets en astronomie et sur les changements climatiques.