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univers

(latin universum)

Système solaire
Système solaire

Ensemble de tout ce qui existe. (En astrophysique, prend une majuscule)

ASTRONOMIE

Introduction

Depuis l'Antiquité, l'homme s'efforce de se situer dans l'Univers. Les progrès de l'instrumentation astronomique lui permettent d'appréhender progressivement la structure de l'Univers à des échelles de plus en plus grandes.

Nous savons aujourd'hui que, comme l'affirmait déjà au xvie s. l'astronome polonais Nicolas Copernic (1473-1543), la Terre tourne autour du Soleil. Celui-ci est une étoile, c'est-à-dire une énorme boule de gaz très chauds au cœur de laquelle se produisent des réactions de fusion nucléaire. Bien qu'il soit d'un type très commun, il se distingue, pour nous, des autres étoiles par sa proximité : situé à quelque 150 millions de kilomètres seulement de la Terre, il est 270 000 fois plus proche que l'étoile la plus voisine après lui (Proxima, visible dans la constellation du Centaure).

Le Système solaire

Du fait de sa masse imposante, le Soleil occupe le centre d'un vaste ensemble de corps célestes soumis à son attraction gravitationnelle, le Système solaire. Cet ensemble comprend tout d'abord des planètes, c'est-à-dire des corps non lumineux qui gravitent autour du Soleil en réfléchissant une partie de la lumière qu'ils en reçoivent. Neuf planètes principales, ayant un diamètre allant de quelques milliers à plus d'une centaine de milliers de kilomètres, tournent autour du Soleil, la plupart accompagnées de satellites. Ce sont, de la plus proche à la plus éloignée du Soleil : Mercure, Vénus, la Terre, Mars, Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune et Pluton. Les quatre premières constituent les planètes intérieures ou telluriques (du type de la Terre). Peu volumineuses mais denses, elles offrent une structure rocheuse autour d'un noyau riche en fer. Les quatre suivantes constituent les planètes extérieures. Volumineuses mais peu denses, elles présentent une structure gazeuse autour d'un noyau rocheux. Quant à la dernière planète, Pluton, elle reste mal connue en raison de son éloignement, mais apparaît aujourd'hui comme un objet intermédiaire entre les planètes principales et les petites planètes.

Aux planètes principales s'ajoutent, en effet, une multitude de petites planètes, ou astéroïdes. Leur population est particulièrement importante entre l'orbite de Mars et celle de Jupiter, où elle forme une véritable ceinture de petits corps. Les plus grosses n'atteignent pas 1 000 km de diamètre. Chaque année, on en découvre de nouveaux spécimens, dont les dimensions n'excèdent pas quelques kilomètres. Le système solaire renferme aussi de très nombreuses comètes, petits corps formés d'un mélange de glaces et de poussières qui gravitent sur des orbites très allongées et peuvent devenir très spectaculaires au voisinage du Soleil.

Notre galaxie

Le Soleil est l'une des cent milliards d'étoiles d'un vaste ensemble, la Galaxie, dont la partie la plus dense est un disque de quelque 100 000 années-lumière de diamètre. Vue de la Terre, la Galaxie dessine dans le ciel une large traînée blanchâtre (consistant en une accumulation d'étoiles que l'œil est incapable de distinguer individuellement), la Voie lactée, dont le nom est utilisé aussi pour désigner la Galaxie elle-même.

Notre galaxie renferme également d'importantes quantités de gaz et de poussières dispersés entre les étoiles. Cette matière interstellaire représente 10 % environ de sa masse totale. Elle se concentre souvent au sein de vastes nuages, les nébuleuses, dont il existe différents types.

Au sein de notre galaxie, les étoiles solitaires, comme le Soleil, ne sont qu'une minorité. La plupart vont par deux (étoiles doubles), par trois ou davantage (étoiles multiples) et restent liées par leur attraction mutuelle. Il existe aussi de nombreux spécimens d'amas d'étoiles nées ensemble. Ils se rangent en deux catégories : les amas ouverts (ou galactiques) et les amas globulaires.

L'Univers extragalactique

Malgré ses dimensions respectables, notre galaxie ne constitue pas à elle seule l'Univers. Celui-ci est peuplé d'une multitude (plus de 100 milliards d'après une extrapolation des observations effectuées par le télescope spatial Hubble sur de très petites régions du ciel) de systèmes plus ou moins analogues, comme l'avaient pressenti dès le xviiie s. des savants comme les Britanniques William Herschel (1738-1822) ou Thomas Wright (1711-1786) et le philosophe allemand Emmanuel Kant (1724-1804). La preuve en a été apportée en 1923-1924, lorsque l'astronome américain Edwin Hubble (1889-1953), à l'aide du télescope de 2,54 m de diamètre de l'observatoire du mont Wilson, en Californie (le plus grand télescope du monde à l'époque), mit en évidence des étoiles dans la grande « nébuleuse » M31 d'Andromède. Ce que beaucoup d'astronomes pensaient n'être qu'un vaste nuage de gaz se révélait ainsi une gigantesque concentration d'étoiles et de matière interstellaire comparable à notre propre galaxie.

D'une façon générale, sur des distances se comptant en millions d'années-lumière, la distribution des galaxies n'apparaît pas uniforme. Les galaxies sont rarement isolées, mais plutôt rassemblées en groupes (comportant quelques dizaines de membres), amas (jusqu'à plusieurs milliers de membres) ou superamas (amas d'amas, qui peuvent s'étendre sur 100 millions d'années-lumière ou plus). Ainsi, notre galaxie, M31 d'Andromède, les Nuages de Magellan et une trentaine d'autres galaxies, naines pour la plupart, forment une petite concentration de galaxies, le Groupe local (ou Amas local), dans un volume ellipsoïdal d'environ 7 millions d'années-lumière d'extension maximale.

Les distances astronomiques



Les distances qui séparent les astres sont considérables. Il est, en général, peu pratique de les exprimer en kilomètres. On préfère souvent les indiquer en temps de lumière. Dans le vide (et, pratiquement, dans l'espace), la lumière se déplace à une vitesse constante, très voisine de 300 000 km/s. Dans un intervalle de temps donné, par exemple un jour, elle parcourt donc toujours la même distance, que l'on peut prendre comme étalon. L'unité fréquemment utilisée pour exprimer les distances stellaires équivaut au trajet que parcourt la lumière en une année : c'est l'année de lumière ou année-lumière (symbole : al). Une année-lumière représente un peu moins de 10 000 milliards de kilomètres. L'étoile la plus proche du système solaire, Proxima du Centaure, se trouve à 4,22 al, soit plus de 40 000 milliards de kilomètres. On ne connaît que onze étoiles situées à moins de 10 al et une quarantaine qui se trouvent à moins de 15 al. La plupart sont beaucoup plus lointaines.

Pour les astres les plus proches, à l'intérieur du système solaire, on peut prendre comme référence le trajet parcouru par la lumière en un mois, un jour, une heure ou une minute… Ainsi, la Lune, notre plus proche voisine, n'est qu'à 1,25 s de lumière, le Soleil à 8 minutes, et Pluton, la planète du système solaire la plus lointaine, à moins de 6 h. Toutefois, à l'intérieur du système solaire, l'étalon de distance utilisé par les astronomes est la distance moyenne de la Terre au Soleil. Appelée unité astronomique (symbole : ua), elle vaut à peu près 149,6 millions de kilomètres.

Pour les astres extérieurs au système solaire, les spécialistes emploient habituellement le parsec (symbole : pc) et ses multiples, le kiloparsec (1 kpc = 1 000 pc) et le mégaparsec (1 Mpc = 106 pc). « Parsec » est une abréviation de parallaxe-seconde : 1 parsec représente, en effet, la distance à laquelle le rayon de l'orbite terrestre apparaît sous un angle (appelé parallaxe) de 1 seconde. Un parsec équivaut à 3,26 al, à 206 265 ua ou encore à 30 000 milliards de kilomètres environ. La plupart des étoiles visibles à l'œil nu se trouvent à des distances comprises entre quelques dizaines et plusieurs centaines de parsecs. La galaxie la plus proche, le Grand Nuage de Magellan, visible dans l'hémisphère Sud, se situe à 50 kpc, soit environ 170 000 al.

La cohésion des amas est assurée par l'attraction mutuelle des galaxies qu'ils rassemblent. Il arrive que deux galaxies entrent en collision, mais le phénomène se déroule sur des centaines de millions d'années. Cependant, à l'échelle globale, les galaxies s'écartent progressivement les unes des autres, comme l'ont constaté dès la fin des années 1920 E.P. Hubble et son assistant Milton Humason (1891-1973) grâce à l'analyse spectrale : en règle générale, les raies du spectre des galaxies apparaissent systématiquement décalées vers le rouge par rapport à leur position sur des spectres de référence obtenus en laboratoire ; interprété comme un effet Doppler-Fizeau, ce phénomène signifie que les galaxies s'éloignent de la nôtre. Hubble et Humason ont établi que leur vitesse de « fuite » (ou de « récession ») est proportionnelle à leur distance. Mais, notre galaxie n'occupant aucune position privilégiée dans l'Univers, ces observations indiquent en fait que les galaxies sont emportées dans un mouvement général de dilatation (ou d'« expansion ») de l'Univers. L'analyse dynamique de galaxies et d'amas de galaxies suggère que ces systèmes ont une masse beaucoup plus importante que leur contenu visible ne le laisse prévoir. La nature de cette matière cachée (appelée « matière sombre » ou « matière noire ») reste une énigme.

Selon les observations effectuées au cours des dernières décennies, les amas et les superamas de galaxies semblent se concentrer sur les « parois » d'immenses cellules dépourvues de matière. À grande échelle, l'Univers aurait ainsi une structure comparable à celle de la mousse de savon ou de la mousse de bière.

Les moyens d'observation actuels permettent de toujours mieux connaître l'Univers. Ainsi, le satellite Planck, observatoire spatial européen lancé en 2009, a pour mission de cartographier les infimes variations de température du fond diffus cosmologique (ou rayonnement fossile), qui constitue la plus ancienne image de l’Univers (380 000 ans après le big bang). En 2013, l'observatoire de radioastronomie ALMA a mis en évidence de très jeunes étoiles situées à 11 milliards d'années-lumière (elles témoignent de l'état de l'Univers un milliard d'années seulement après le big bang) et a détecté des molécules d'eau dans le milieu interstellaire à des distances considérables.