astronomie

     Durant l'année écoulée, quatorze articles ont été publiés dans la section astronomie. On les trouvera ci-après brièvement résumés et selon leur ordre de parution. Bien entendu, le titre du sujet renvoie à l'article correspondant à l'aide d'un simple clic.

 
          * Astronomie et astrologie
    Il existe souvent une (regrettable) confusion entre les deux termes (deux petites lettres les séparent) et l’article rappelle leur différence fondamentale : alors que l’astronomie est une véritable et remarquable discipline scientifique, l’astrologie n’est qu’une vue de l’esprit sans aucun fondement scientifique, la simple survivance d’un passé superstitieux.
Mots-clés : astronomie, astrologie, constellations, constellation du Scorpion.
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          * céphéides
     C’est de ce type bien particulier d’étoiles que le blog tire son appellation. Ces étoiles sont très spéciales : leur luminosité est variable (mécanisme commenté) selon un rythme prévisible ce qui permet par un simple calcul de connaître leur éloignement. De ce fait, il devient possible d’estimer la distance qui nous sépare d’une autre galaxie en étudiant les céphéides qu’elle contient.
Mots-clés : céphéides, Henrietta Leawitt, luminosité intrinsèque, luminosité apparente, loi de Hubble.
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          * Place du Soleil dans la Galaxie
     Le ciel est immense et notre Soleil se trouve au sein d’une galaxie, la Voie lactée (ou « la Galaxie »), entre des milliards d’autres qui composent l’univers solide. Mais où exactement parmi les milliards d’étoiles de la Voie lactée ? A-t-on les moyens de le savoir ? Et que peut-on en conclure sur les particularités du système solaire ?
Mots-clés : voie lactée, Soleil, bras spiraux, bras d’Orion, parsec
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          * Amas globulaires et trainards bleus
     Témoins d’un passé immémorial, les amas globulaires fermés renferment des étoiles qui, nées ensemble, ont toujours vécu ensemble. Il en existe théoriquement de moins en moins parce qu’ils finissent par être absorbés par les galaxies dont ils sont les satellites. Curieusement, il se trouve en leur sein des étoiles jeunes ce qui semble contradictoire : la création de nouvelles étoiles est donc toujours possible ?
Mots-clés : amas fermés, trainards (ou trainardes) bleu(e)s, diagramme de Hertzsprung-Russel, distances galactiques, binaires, pulsars
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          * Mort d’une étoile
     Comme toute structure de l’Univers, les étoiles naissent et disparaissent. Selon leurs tailles, elles évoluent de façon fort différente. Que deviennent-elles vraiment et quels sont les astres auxquels elles donnent naissance en mourant ? Quelle est la véritable place de notre Soleil dans cet organigramme ? Décidément, la Nature est immuable… et pleine de surprises.
Mots-clés : diagramme de Hertzsprung-Russel, naine rouge, naine blanche, supergéante rouge, supernova, étoile à neutrons, trou noir, étoiles primitives, Kelvin
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          * Fonds diffus cosmologique
     Depuis la mise en équation par Einstein de la théorie de la relativité générale, les astronomes se disputaient sur la nature de l’Univers. Deux théories s’affrontaient : celle du « Big Bang » (l’Univers est issu d’un « noyau » originel) et celle de l’Univers stationnaire (l’Univers est en création continue et en équilibre permanent). Laquelle choisir ? C’est tout à fait par hasard que deux ingénieurs du téléphone vont permettre de trancher en faveur de la première à la suite de leur découverte du fonds diffus cosmologique, découverte qui leur vaudra le Nobel…
Mots-clés : big bang, univers stationnaire, Penzias, Wilson, principe cosmologique, expansion de l’univers, constante de Hubble
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          * Matière noire et énergie sombre
     Les étoiles sont sujettes à la gravitation qui explique leurs mouvements. Oui mais quand on observe les vitesses de rotation de ces étoiles dans les galaxies, on se rend compte que celles-ci sont trop élevées par rapport à la masse des objets visibles de l’univers : il manque une énorme quantité de matière (25%) que les astronomes ont appelé « matière noire » puisqu’ils ne savent pas ce que c’est. Pire encore, l’accélération de l’expansion de l’univers ne s’explique que s’il existe une tout aussi mystérieuse « énergie sombre » (75%) totalement inconnue. Bref, ce que l’on voit ne représente que 5% de notre univers… 
Mots-clés : matière sombre, énergie noire, Zwicky, Rubin, neutrino, wimp, expansion de l’univers
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          * Étoiles doubles et système multiples
     C’est un fait : les étoiles solitaires comme notre Soleil ne sont pas majoritaires dans l’Univers. La plupart des étoiles sont groupées par deux ou plus. Comment ces systèmes multiples peuvent-ils exister ? Des planètes peuvent-elles graviter autour d’eux ? Quelle pourrait alors être la couleur de leurs ciels ? Des questions parfois à la limite de l’astronomie et de la poésie.
Mots-clés : binaires, binaires X, exoplanètes, nova, runaway stars
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          * La Terre, centre du Monde
     Longtemps, les hommes ont cru que la Terre – c’est à dire eux – était le centre du Monde. Cruelle illusion : le système solaire – et donc la Terre – est organisé autour d’une étoile banale située en périphérie d’une galaxie, la Voie lactée, qui en contient des milliards d’autres. Plus encore, notre Galaxie n’est qu’un simple objet parmi des milliards d’autres galaxies composant l’Univers visible. La Terre : moins qu’un grain de sable sur une plage immense… mais habité ! Et ailleurs ?
Mots-clés : pythagoriciens, Aristote, Copernic, Galilée, Voie lactée, groupe local, effet doppler, big bang
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          * Théorie de la Relativité générale
     On avait beau faire et refaire les calculs, les mathématiques de Newton ne suffisaient pas à expliquer certaines observations astronomiques. C’est Einstein qui permettra de résoudre ces apparents paradoxes grâce à sa géniale mise en équation de la Relativité, restreinte d’abord, puis générale. On peut dire que c’est à la lumière de cette extraordinaire théorie que les Hommes ont pu commencer à comprendre l’Univers dans lequel ils se trouvent…
Mots-clés : relativité générale, relativité restreinte, mirages gravitationnels, étoiles à neutrons, trous noirs, théorie du tout
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          * La mort du système solaire
     Dans longtemps, très longtemps, le système solaire, comme tous les objets vivants ou non de l’Univers, disparaitra. C’est la grandeur de l’esprit humain que de pouvoir, sans gros risques de se tromper, prévoir une telle apocalypse grâce à son sens de l’observation et ses possibilités de déduction. Chaque jour, des étoiles comme le Soleil meurent, dans notre galaxie ou une autre, entrainant leurs cortèges de planètes (on sait à présent qu’elles existent) avec elles. Il suffit donc d’imaginer…
Mots-clés : naine jaune, étoiles primordiales, géante rouge, supergéante rouge, nébuleuse planétaire, naine blanche
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          * Les galaxies
     Aussi loin que porte le regard de l’observateur à travers un télescope, il découvre de petites taches de lumière, parfois à la limite du perceptible : les galaxies. Il n’y a en fait pas si longtemps que l’on sait qu’elles existent : jusqu’à peu on croyait que l’univers tout entier était contenu dans notre seule galaxie, la Voie lactée. C’était encore une erreur anthropocentrique : les galaxies se comptent par milliards, chacune renfermant des milliards d’étoiles. Sont-elles toutes semblables ? Comment sont-elles distribuées dans l’univers ? Et notre galaxie dans tout ça ? 
Mots-clés : Emmanuel Kant, catalogue de Messier, spirales, spirales barrées, elliptiques, irrégulières, lenticulaires, amas, superamas
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          * Trous noirs
     Il est rare qu’un concept astronomique soit autant cité dans la vie courante et pourtant aussi mal compris. L’article est l’occasion de revenir sur ce que nous savons des trous noirs : quelle origine ? quelles propriétés ? où se trouvent-ils ? que peuvent-ils nous apprendre de l’Univers ? Retour sur ces étranges objets…
Mots-clés : étoiles massives, puits gravitationnel, étoiles à neutrons, horizon des événements, singularité, noyau galactique actif, quasars, blazars, radiogalaxies
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                                        amas de galaxies dans Persée

 

 Deux satellites ont apporté pour la première fois la preuve d’un gigantesque trou noir déchirant et absorbant une petite partie d’une étoile, a annoncé, mercredi 18 février 2004, la NASA.(sources : http://www.interet-general.info/)

     Le terme de « trou noir » est bien connu du grand public, du moins par la partie de ce public s’intéressant à la science-fiction, et ce à cause des différentes séries télévisées qui font appel à ce phénomène céleste d’autant plus aisément qu’il est mystérieux et mal expliqué. On se souvient, par exemple de Stargate SG1 où les héros se servent de trous noirs pour contrer l’offensive de leurs ennemis ou de la série Sliders dont des analogues de trous noirs permettent aux acteurs de glisser d’univers parallèles en univers parallèles. Mais, au delà du simple folklore, on peut s’interroger sur ce que recouvre ces objets astronomiques… s’ils existent vraiment ! En effet, leur réalité a été longtemps discutée et, en dépit d’avancées récentes, certains scientifiques (mais de moins en moins) en doutent encore. Essayons d’y voir plus clair (sans jeu de mots).

Bref retour en arrière

     L’idée d’astres si massifs que même la lumière ne pourrait pas s’en échapper vient de loin, du XVIIIème siècle en fait, où, à la suite des travaux de Newton, John Michell (en 1783) et Pierre-Simon de Laplace (en 1796) en formulèrent conjointement la théorie. Oui, mais à cette époque, on ne connaissait pas la vitesse de la lumière et on ne pouvait en conséquence que supposer l’existence d’objets suffisamment massifs pour la retenir. Il s’agissait donc tout au plus d’une curiosité théorique comme la Science aime parfois en inventer et on s’empressa d’oublier ces idées étranges.

 
     C’est avec Einstein et sa théorie de la Relativité générale que la notion de trou noir reprit du service. Depuis 1915, date de la formulation de la théorie, on sait que l’espace n’est pas uniformément plat et que tout objet peut plus ou moins le courber en fonction de sa propre masse. Tout objet certes, mais pour que cela soit notable, encore faut-il que cette masse soit suffisante, comme celle d’une étoile par exemple. Cette courbure plus ou moins prononcée de l’espace dévie forcément les rayons lumineux ce qui fut démontré dès 1920 (voir sujet : théorie de la relativité générale). Plus la masse d’un corps est importante, plus cette courbure est prononcée à la façon d’une sorte d’entonnoir (le puits gravitationnel) et plus la lumière sera déviée. Imaginons à présent un objet si massif que l’entonnoir se trouve « sans fond » : la lumière ne pourrait en ressortir et on se trouverait face à un « trou noir ». Problème : si la lumière ne peut s’échapper d’un trou noir, comment le voir ? Jusque dans les années 1960, la question resta sans réponse… et l’existence des trous noirs hypothétique. Une autre question vient aussi à l’esprit : d’où pourraient-ils venir, ces étranges objets ?

Origine des trous noirs

     Nous avons déjà évoqué (voir sujet : mort d’une étoile) les différents devenirs des étoiles, une évolution qui dépend essentiellement de leurs masses. Lorsque tout le combustible d’une étoile a été brulé, celle-ci évolue vers un astre extrêmement massif. Si la masse d’une étoile dépasse quarante fois la masse solaire (MS), son noyau dégénéré peut dépasser les trois MS. Dans ce cas, les forces de répulsion des composants atomiques dégénérés (neutrons et protons) ne peuvent plus s'opposer à la compression due aux forces gravitationnelles et la matière s’écrase sur elle-même sans que plus rien ne s’y oppose : on aboutit alors à la formation d’un trou noir. Il arrive même que cette éventualité se produise à partir d’une étoile à neutrons (l’évolution classique d’une étoile un peu moins massive) si celle-ci « capte » de la matière depuis une compagne proche comme cela peut se produire dans un système d’étoiles binaires serré (voir sujet : étoiles doubles et systèmes multiples). En pareil cas, l’accrétion de matière supplémentaire augmente la taille du résidu d’étoile jusqu’à dépasser un seuil critique à partir duquel se forme un trou noir.

 
     Selon leurs masses et leurs propriétés, il existe théoriquement différents types de trous noirs : les trous noirs supermassifs, les trous noirs stellaires (de quelques MS) et même des « micro trous noirs » mais nous ne nous intéresserons aujourd’hui qu’au premier type de ces trous noirs, les supermassifs.

Comment peut-on observer un trou noir ?

     On ne le peut pas puisque, par définition, il s’agit d’un objet invisible, la lumière ne pouvant s’en échapper ! C’est d’ailleurs la raison pour laquelle l’existence d’un tel phénomène a été longtemps tenue pour exclusivement théorique.

 
     On a déjà vu que l’espace est déformé par un corps massif : cela n’est pas perceptible pour un astre comme la Terre, de taille modeste par rapport à une étoile, mais est déjà notable pour le Soleil (voir sujet : théorie de la relativité générale). Un trou noir, par son incroyable masse, doit donc considérablement déformer l’espace autour de lui… et par conséquent ralentir les distances et le temps. Une minute près d’un trou noir sera donc plus longue qu’une minute sur Terre…

 
     Un trou noir est un objet que l’on peut comparer à une barrière, une membrane à sens unique qui divise l’Univers en deux : d’un côté le monde extérieur (l’Univers que nous voyons et dans lequel nous vivons) et de l’autre un monde intérieur dont rien ne peut revenir. Cette limite du trou noir entre ces deux mondes est appelé « l’horizon des évènements ».

 
     Un trou noir, toutefois, n’est pas qu’un corps passif puisqu’il échange des informations avec son monde extérieur en « captant » de la matière : il prélève de l’énergie mais peut également, par sa seule présence, en produire sur son environnement immédiat. Il existe donc des signes indirects de sa présence et c’est cela que l’on a pu réussir à mettre en évidence à partir de la deuxième moitié du siècle dernier. Dès 1960, en effet, on a décelé des radio sources et des quasars (voir glossaire) qui ont accrédité l’idée que des objets supermassifs et impénétrables à la lumière pouvaient se situer au centre des galaxies. Quelques années plus tard, des satellites artificiels plus performants (pouvant déceler les rayonnements de haute énergie) ont mis en évidence des sources X en provenance de systèmes binaires dont l’une des composantes, invisible et très massive, émettait un flux gigantesque de rayons X : il ne pouvait provenir que de l’échange de matière entre l’étoile visible et sa compagne invisible, un trou noir.

 
     Que se passe-t-il à l’intérieur d’un trou noir ? Le centre du trou noir est appelé « singularité », un endroit où la courbure de l’espace et le champ gravitationnel deviennent infinis mais on ne sait pas vraiment ce que cela veut dire pour la bonne raison qu’en pareil cas la théorie de la relativité générale ne peut s’appliquer (dans le cas, comme ici, d’une courbure infinie de l’espace, les phénomènes sont de nature quantique… et il n’existe pas, comme on l’a vu dans un sujet précédent, de théorie gravitationnelle quantique). Nous abordons là des domaines inconnus et forcément encore bien mystérieux.

 
       L’existence des trous noirs est à présent certaine mais comment se distribuent-ils dans l’Univers ?

Où trouve-t-on des trous noirs ?

     Les trous noirs supermassifs se trouvent au centre des galaxies et ils peuvent « peser » de quelques millions à plusieurs milliards de MS. Du fait de cette présence considérable, on peut parfois distinguer indirectement leur existence par des jets de matière qui s’échauffent à leur contact et, comme nous venons de le dire, par l’émission de puissantes sources de rayons X. Du coup, le centre d’une galaxie peut devenir plus brillant que ce qui serait expliqué par la seule superposition des étoiles qui la compose : c’est cela que l’on appelle un noyau actif de galaxie et on estime qu’environ 5% des galaxies visibles sont de cette nature. Chaque galaxie possède donc probablement un trou noir plus ou moins important : la Voie lactée, notre galaxie, n’échappe pas à cette règle comme en témoigne la course plus rapide des étoiles proches de son centre.

     La présence de trous noirs supermassifs explique l’existence d’objets astronomiques particuliers comme les quasars (presqu’une étoile ou quasi-star en anglais) qui sont des galaxies lointaines particulièrement actives en raison de leur grande activité lumineuse et magnétique, certainement en rapport avec la présence en leur centre de trous noirs hyperactifs. On évoque aussi les blazars (voir glossaire), voisins des quasars (et qui s’en distinguent par la grande variabilité de leurs émissions) mais également les radiogalaxies. En réalité, tous ces objets sont sans doute les différentes formes des galaxies à noyaux actifs.
 

Vie des trous noirs supermassifs

     On vient de voir que les galaxies à noyaux actifs sont celles dont les trous noirs centraux sont en pleine activité : ils avalent continuellement de la matière d’où leur luminosité intense. Question : de tels trous noirs supermassifs finiront-ils par engloutir toutes les étoiles de leurs galaxies ? Eh bien non car il existe une sorte « d’autorégulation » : à force d’avaler tout qui les entoure, il finit pas se créer autour d’eux une zone de « no man’s land » vide de matière et le trou noir se calme… Il n’empêche : lorsqu’il est en pleine activité, il se crée à sa proximité d’énormes déplacements de gaz qui s’échauffe jusqu’à entraîner la formation de myriades de nouvelles étoiles. C’est également le cas lors de collision entre deux galaxies avec la création de gigantesques « effets de marées » gravitationnels qui compriment les gaz vers les centres galactiques occupés par leurs trous noirs respectifs d’où, là aussi, des pépinières de jeunes étoiles ; le phénomène conduit à une extraordinaire augmentation des disques d’accrétion de matière autour des trous noirs : la galaxie résultante devient si brillante qu’on l’appelle un quasar, un objet à la luminosité équivalente à celle d’une étoile proche de nous alors qu’il est situé aux confins de l’Univers. On se trouve ici en présence des phénomènes les plus énergétiques de l’Univers dont on peut imaginer ni l’étendue, ni la puissance tant nous sommes minuscules par rapport à eux…

     Et notre Galaxie dans tout ça ? La Voie lactée possède bien un trou noir massif en son centre mais il est plutôt calme (ce qui n’a peut-être pas toujours été le cas). Pour en savoir plus sur Sagittarius, le trou noir de notre galaxie, se reporter au sujet dédié ICI. Pourrait-il se réactiver et, ainsi, augmenter la lumière de nos nuits ? Cela se produira très certainement dans environ deux milliards d’années lorsque notre Galaxie se heurtera à notre voisine, la grande galaxie d’Andromède. Il n’y aura pas de chocs entre les étoiles composant ces deux monstres tant il y a du vide en eux mais les forces gravitationnelles entraineront l’élévation de chaleur des gaz intersidéraux – d’où la formation de millions de nouvelles étoiles – et lorsque les trous noirs des deux galaxies fusionneront après des dizaines de milliers d’années d’interpénétration galactique, la résultante sera gigantesque. Un immense trou noir pour une immense nouvelle galaxie. Nous ne serons évidemment pas là pour le voir. J’allais presque dire : dommage…

Images

* photo 2 : image simulée d'un trou noir (sources : www.science-et-vie.net/)
* photo 3 : l’image en fausses couleurs obtenue par le télescope spatial Spitzer de la NASA montre une galaxie lointaine (en jaune) qui abrite un quasar, un trou noir supermassif entouré d’un anneau (ou tore) de gaz et de poussières (sources : www.nasa.gov/)
* photo 4 : grande galaxie d'Andromède (sources : http://www.noao.edu/)

Pour le trentième article du blog, il me paraît judicieux de revenir sur les commentaires les plus intéressants parus au fil des jours.  Au delà de la simple information, quelquefois passé inaperçue,  ils pourront peut-être permettre d'approfondir certaines idées... Aujourd'hui : l'astronomie.
Bonne lecture.

 le catalogue de Messier

     Je me souviens parfaitement de ma classe de quatrième et de ce moment privilégié du lycée (à l’époque, on appelait lycées les établissements allant jusqu’au bac, le terme de collège étant réservé à ceux qui s’arrêtaient en classe de troisième), ce moment de plaisir intense que représentait la « grande » récréation d’après la cantine. Puisque nous avions quartier libre jusqu’à deux heures de l’après-midi, nous nous retrouvions souvent entre amateurs d’astronomie pour commenter les dernières nouvelles du ciel, glanées au hasard d’une quelconque revue de vulgarisation.

     Il y avait là deux groupes antagonistes (la vérité m’oblige toutefois à reconnaître que les protagonistes n’étaient pas très nombreux), groupes qui s’opposaient entre autres sur un sujet fort polémique : la création de l’Univers. Rien que ça ! Les uns, suivant Fred Hoyle, étaient les tenants de « l’univers stationnaire » tandis que les autres se rangeaient, avec Hubble, à l’idée d’un « univers en expansion ». Nous ne faisions, probablement sans le savoir, que refléter à notre minuscule échelle les débats très animés qui agitaient le petit monde de l'astronomie. Il faut dire que la question n'était pas encore tranchée puisque la découverte du rayonnement fossile de Penzias et Wilson (voir l’article fonds diffus cosmologique) n’eut lieu qu’en 1964, découverte qui permit d’asseoir définitivement (?) la théorie du Big Bang. S’opposaient donc la théorie d’un univers statique et quasi éternel où les créations d’étoiles équilibraient exactement la mort des plus anciennes et celle d’un univers en expansion continue, issu d’un noyau originel, et pour lequel il n’était pas clairement précisé s’il y avait ou non élaboration significative de nouvelles étoiles.

     Aujourd’hui l’expansion de l’Univers n’est plus remise en question : on sait même qu’elle va en s’accélérant… Toutefois, Hoyle et ses partisans n’avaient pas complètement tort puisqu’il existe bien une création importante et continue des étoiles, du moins dans certaines galaxies. Car les étoiles sont, on le sait, regroupées dans l’Univers au sein de milliards de galaxies séparées par un vide quasi-absolu et c’est sur ces objets immenses - les « univers-îles » soupçonnés par le philosophe allemand Emmanuel Kant - que je souhaite revenir maintenant. 
 

nébuleuses et univers-îles

     Depuis toujours, lorsque l’on observait le ciel, en dehors du Soleil et de ses planètes, trois types différents d’objets étaient identifiables : les étoiles, les comètes (repérables par leurs mouvements) et des objets flous aux contours imprécis qu’on appelait nébuleuses. Il faudra attendre le XVIIème siècle et la lunette de Galilée pour que celui-ci, en 1610, observant la Voie lactée, y distingue de très nombreuses étoiles, faiblement lumineuses… La Voie lactée, c’est à dire notre propre galaxie, n’était donc plus cette traînée blanchâtre – le lait céleste des anciens – aux contours diffus : la gigantesque nébuleuse étaient composée d’étoiles. 

     Un peu moins de 150 ans plus tard, en 1755, dans son traité « Histoire universelle de la nature et théorie du ciel », le philosophe Emmanuel Kant (1724-1804) imagina que notre galaxie était vraisemblablement un corps en rotation et que c’était la gravitation qui liait entre elles toutes les étoiles la composant. C’était un éclair de génie prémonitoire d’autant que Kant proposa dans la foulée que les nébuleuses multiples observées ça et là étaient des galaxies – il les appelait des univers-îles – extérieures à la nôtre. L’idée fit sourire et on n’y attacha pas plus d’importance, d’autant qu’il était bien difficile de faire la preuve de cette affirmation. 

     On se contenta donc de cartographier les nébuleuses, de les répertorier, de les nommer, le plus souvent afin de ne pas les confondre avec les comètes. Messier puis Herschel bâtirent des catalogues encore utilisés aujourd’hui jusqu’à ce que, un siècle après Kant, William Parsons construise un télescope qui démontra sans erreur que, mais oui, certaines de ces nébuleuses étaient composées d’étoiles. Toutefois, pas question d’imaginer que ces « nébuleuses d’étoiles » soient situées en dehors de notre galaxie qui restait « l’Univers » dans tout entier. Un relent d’anthropocentrisme ? (voir sujet : Terre, centre du Monde) 

     C’est Edwin Hubble qui mettra fin à la polémique en 1924 en démontrant que certaines nébuleuses sont extérieures à la Voie lactée, ses travaux étant confortés par Henrietta Leavitt et son recours aux céphéides (voir sujet céphéides) pour calculer leurs distances. Précisons pour être complets que les nébuleuses intérieures à la Voie lactée n’ont évidemment rien à voir avec une quelconque galaxie et sont d’origines diverses : amas globulaires, nébuleuses planétaires, nuages de gaz, etc.

     Des galaxies, en tout cas, il y en a beaucoup : les calculs statistiques montrent que le nombre de galaxies observables dans l’univers visible est d’environ cent milliards ! Moins d’une centaine de millions d’entre elles ont été à ce jour photographiées et on imagine aisément le temps qu’il faudrait pour les enregistrer toutes : certainement plusieurs siècles… 
 

 
origine et composition des galaxies

     Elles proviennent toutes du nuage primordial issu du Big Bang. Sous l’effet des pressions considérables et de la gravitation, le gaz s’est aggloméré pour former des milliards d’étoiles regroupées dans les galaxies qui, du fait de l’expansion de l’Univers, ont commencé à s’éloigner les unes des autres. Du moins lorsqu’elles sont déjà suffisamment lointaines car, proches les unes des autres, elles restent liées dans ce que l’on appelle des amas (voir glossaire) : c’est le cas de notre galaxie qui se trouve dans un amas appelé le groupe local comprenant également la grande galaxie d’Andromède. Dans ce cas particulier, les galaxies ont au contraire la propriété de s’attirer et on estime qu’Andromède se heurtera à notre propre Voie lactée dans deux à trois milliards d’années.

     Pour le reste, c’est à dire l’essentiel, elles s’éloignent et c’est précisément ce qu’a démontré Hubble en étudiant les spectres des galaxies (extérieures au groupe local) qui invariablement tirent vers le rouge (redshift), effet Doppler oblige. 

     Depuis le Big Bang, il y a 13,7 milliards d’années, bien des choses ont changé et ce ne sont plus tout à fait les mêmes étoiles qui composent les galaxies. La première génération d’étoiles supergéantes - dites étoiles primordiales - a depuis longtemps disparu : la durée de vie assez courte de ces étoiles explique le phénomène (notons à l’inverse que ce n’est pas le cas général puisque les « petites » naines rouges peuvent vivre jusqu’à 100 milliards d’années). On comprend donc que les générations postérieures d’étoiles incorporent des métaux qui ne peuvent provenir que de leurs ancêtres, ces supergéantes qui ont modifié la composition du ciel pour le faire tel qu’il est de nos jours… De plus amples informations sur ces étoiles très particulières sont accessibles dans le sujet qui leur est consacré : les étoiles primordiales.

     Lorsqu’on observe les galaxies lointaines, on voit en réalité le passé. Une galaxie située à, disons, un milliard d’années-lumière (al) de nous est visible telle qu’elle était il y a un milliard d’années, temps qu’a mis sa lumière à nous parvenir. Une époque où elle était plus jeune et fabriquait théoriquement plus d’étoiles. Est-ce à dire qu’aujourd’hui il ne naît plus d’étoiles ? Qu’en est-il de notre galaxie ? Avant de répondre à cette question, il faut revenir sur les différents types de galaxies observables. 

 

classification des galaxies

  
     Les astronomes savent depuis le début de leur observation réelle des galaxies qu’elles ne sont pas toutes identiques. Elles diffèrent évidemment par leurs tailles mais également par leur aspect ; on décrit quatre types différents de galaxies, à savoir :

  

          * les spirales

     La Voie lactée appartient à ce groupe, tout comme sa voisine dans le groupe local, la galaxie d’Andromède M31. J’ai déjà eu l’occasion d’en dire deux mots dans un sujet précédent (voir sujet place du Soleil dans la Galaxie).

     Notre galaxie se présente sous la forme d’un disque épaissi dans sa partie centrale (un peu comme, vues par la tranche, deux assiettes à potage collées tête bêche). Dans le centre du disque siègent un trou noir géant (Sagittarius A) que l’on ne peut que soupçonner de façon indirecte et, tournant autour de lui, des milliards d’étoiles : ce centre, appelé bulbe, renferme essentiellement des étoiles anciennes. Anciennes parce que le gaz interstellaire qui permet la formation des étoiles est pour sa grande part épuisé. Je crois volontiers que certains ciels de cet endroit doivent être féériques : imaginons-nous sur une planète d’un système solaire proche de ce centre ; les nuits doivent y être prodigieuses avec d’immenses nuées d’astres brillants d’une densité telle qu’il est parfaitement possible que ces soleils innombrables illuminent les terres presque comme en plein jour !

     Autour du bulbe se distribuent les bras spiraux (le Soleil est dans l’un d’entre eux - voir sujet précédemment cité) qui, sous l’effet de la gravitation, sont en rotation autour du centre. C’est là que naissent les étoiles car il y a encore beaucoup de gaz. Sous la pression d’étoiles géantes en fin de vie qui explosent, le gaz est comprimé et donne naissance à une pouponnière d’étoiles avec, parmi elles, de nouvelles supergéantes qui, à leur mort, entretiendront le processus de formation. Comme toutes les spirales qui lui ressemblent, la Galaxie (que l’on ne devrait plus appeler Voie lactée mais l’habitude est une seconde nature) est encore féconde.

  

          galaxies spirales barrées

     Il existe un phénomène concernant les galaxies spirales que nous n’avons pas encore évoqué : la présence d’une barre d’étoiles pouvant couper de part en part le centre d’une galaxie ; on parlera alors de galaxie barrée et, surprise, depuis peu, on croit savoir que c’est le cas de la Voie lactée. Quel est donc ce phénomène qui touche les 2/3 des galaxies spirales ?

     Ces barres sont en fait des ondes de densité qui se développent spontanément dans le disque galactique en gravitation. On sait qu’un disque galactique est d’autant plus instable qu’il est « froid », c’est à dire associant peu de mouvements désordonnés à une rotation forte. La barre est un phénomène qui rompt la symétrie de l’axe galactique quand celui-ci est relativement instable et, de ce fait, le gaz interstellaire est attiré vers le centre d’où des flambées de nouvelles étoiles. Les galaxies barrées trouvent là un autre moyen de créer de nouveaux soleils.

     Du coup, pour les galaxies barrées typiques, les bras n’émergent plus du bulbe central dans son ensemble mais de la bande d’étoiles constituant la barre. Ajoutons que plus il y a de matière (d’étoiles) ainsi constituée et plus la barre a tendance à disparaître, le disque retrouvant sa stabilité. Compliqué ? Non, pas vraiment : il s’agit d’un phénomène finalement assez simple dont la seule particularité est de se produire à une échelle gigantesque. Quoi qu’il en soit, cette dernière manière de caractériser une galaxie permet de comprendre que celles-ci passent par des cycles successifs et répétés qui traduisent leur plus ou moins grande propension à créer des étoiles.
 

          * les elliptiques

     Ce sont des galaxies qui n’évoluent pratiquement plus : dans longtemps d’ici, la Voie lactée deviendra probablement ainsi (mais pas avant d’avoir plus ou moins fusionné avec sa voisine Andromède). Ces galaxies se présentent sous la forme de sphères ou de configurations ovales comme un ballon de rugby et elles sont essentiellement composées d’étoiles âgées, principalement des naines rouges et blanches. Ne possédant plus de gaz qu’elles ont épuisé, elles n’ont pas connu de véritables naissances stellaires depuis des millions d’années.

     Elles sont aussi souvent gigantesques, regroupant parfois jusqu’à 10 000 milliards d’étoiles, un chiffre difficile à appréhender… Puisqu’elles sont si massives, elles étendent leur influence gravitationnelle très loin d’elles ce qui explique pourquoi elles sont entourées de petites galaxies dites satellites : dans leur propre amas, ces monstres finiront par capter toutes leurs petites voisines pour augmenter encore de taille.
 

 
          * les irrégulières

     De taille bien moins importante que celles des deux types précédents, il s’agit peut-être de galaxies spirales « ratées » en ce sens que leur faible masse les a empêchées d’évoluer normalement. Il n’empêche : elles sont aussi le siège de naissances d’étoiles comme en témoigne la présence de nombreuses supergéantes bleues. J’ajoute que les « nuages de Magellan », galaxies satellites de la Voie lactée, font partie de ce type.

          * les lenticulaires

     Il reste, pour être complet, à citer cette dernière forme de galaxies qui, au contraire des précédentes, sont très symétriques. Composées essentiellement d’un bulbe presque hypertrophié et d’un disque aplati de petite taille, elles n’ont plus ni gaz, ni poussière susceptibles de permettre l’éclosion de nouvelles étoiles : les leurs sont donc les plus vieilles de l’Univers. 
 

 
Répartition des diverses catégories de galaxies

     La majorité des galaxies visibles dans le ciel sont des spirales puisqu’elles représentent un peu plus de 60% de l’ensemble. On trouve ensuite, en ordre décroissant, les lenticulaires (21%), les elliptiques (13%) et, enfin, les irrégulières (un peu plus de 5%). Pour obtenir ces chiffres, on n’a retenu que les galaxies les plus proches de nous. En effet, comme je l’ai dit précédemment, regarder le ciel lointain, c’est regarder le passé : du coup, regarder un peu trop loin, c’est obtenir un cliché qui n’est probablement plus d’actualité, les astres ayant évolué depuis cette date.

Evolution et devenir des galaxies

  

     Les galaxies sont organisées en amas pouvant comporter des centaines voire des milliers de sujets. Entre ces amas, le vide. Car, malgré ses milliards de galaxies, l’Univers est si grand que sa presque totalité est du vide : on pense que celui-ci contient moins d’un atome par mètre-cube…

     Les amas de galaxies ne sont pas distribués au hasard. A une échelle encore plus grande, on trouve des superamas, preuve que l’Univers est organisé en des sortes de cellules dont les bords renferment les amas galactiques et le centre du vide. Le meilleur moyen de se représenter l’Univers à cette échelle est de le comparer à une éponge qui grossirait sans cesse (à la différence près qu’en dehors de l’éponge, ici, il n’existe rien). Chaque cellule a un diamètre approximatif de 300 millions d’al et c’est aux points de contact de ces cellules qu’existe la plus grande concentration de galaxies.

     Revenons à une dimension moins énorme. Une galaxie est donc un assemblage immense d’étoiles et, du moins dans celles qui le peuvent encore, il en naît chaque jour des millions. Celles qui le peuvent ce sont les spirales et les irrégulières, soit les ¾ des galaxies : c’est dire combien, en dépit de ses milliards d’années d’existence, l’Univers est encore jeune.

     Les étoiles ne naissent pas isolément mais par centaines en même temps ce qui explique l’expression souvent retrouvée en astronomie de pouponnières d’étoiles. Les nodules de gaz et de matière présents dans une galaxie se condensent sous l’effet de la gravitation, deviennent de plus en plus chauds jusqu’à atteindre des millions de degrés, un stade à partir duquel s’enclenche la réaction thermonucléaire qui conduira à la création d’une pléiade de nouveaux soleils.

     Parfois, l’explosion voisine d’une supernova accélère le processus. Puis, ces étoiles, de par les forces de gravitation, s’éloignent progressivement les unes des autres pour vivre leur vie plus ou moins solitaire (une grande partie d’entre elles sont organisées en systèmes multiples comme cela est expliqué dans le sujet : étoiles doubles et systèmes multiples). Pour le Soleil, par exemple, vieux de 4,5 milliards d’années, il n’est plus possible de savoir quels étaient ses frères et sœurs, la dispersion ayant fait son œuvre mais ce n’est pas le cas d’étoiles plus récentes.

     Toutefois, même pour les galaxies plus anciennes, comme les elliptiques, tout espoir n’est pas perdu : une autre source de création d’étoiles est le choc entre deux galaxies, par exemple une elliptique géante et l’une de ses galaxies satellites. Vu de loin, on observe un interpénétration des deux systèmes qui peut durer des millions d’années. Les forces gravitationnelles qui les attirent en bouleversent la structure : ici, un morceau de galaxie est incorporé à la plus massive et se met à tourner avec elle, ailleurs un morceau d’un disque se trouve amputé et reste un temps solitaire. A l’échelle des étoiles, le phénomène n’est guère perceptible : celles-ci sont séparées par tellement de vide qu’il est très peu probable qu’une collision se produise. Tout au plus, une étoile peut-elle être captée par un système déjà formé… En revanche, il est très vraisemblable que les nuages de gaz encore présents s’échauffent d’où la possibilité de naissances d’étoiles même dans des galaxies théoriquement stériles.

     Quel sera le devenir de l’Univers ? On sait depuis peu qu’il continue son expansion (voir le sujet : l'expansion de l'Univers). Plus encore, depuis les observations effectuées par les dernières sondes lancées, on sait que cette expansion a tendance à s’accélérer. Si rien n’inverse le processus, on peut imaginer que les distances entre les galaxies vont s’accroitre tandis que les amas vont finir par s’unifier. Et après ? On ne peut que conjoncturer un refroidissement progressif et une dispersion dans un vide total… Mais il faut néanmoins faire attention : bien des choses restent à découvrir qui, peut-être, invalideront ce scénario de fin du monde. N’oublions pas, par exemple, que nous ne savons pas grand chose de la matière qui compose l’Univers. Les calculs, ici, sont formels : toute la masse visible ne représente qu’une fraction de la masse totale. Comme je l’ai déjà expliqué dans un précédent sujet (voir matière noire et énergie sombre), les galaxies, étoiles et autres gaz divers ne représentent qu’environ 4% de la masse universelle globale : 74% sont attribués à une mystérieuse matière noire et 21% à une non moins énigmatique énergie sombre. Les années à venir nous réservent sans doute des surprises…


     Les galaxies sont des structures gigantesques composées de milliards de soleils et de probablement encore plus de planètes. Elles sont autour de nous par milliards, brillantes, indifférentes et muettes. Même la seule dont nous connaissons une toute petite partie, la Galaxie, notre galaxie, est si gigantesque qu’une civilisation humaine toute entière aurait à peine le temps d’en effleurer la réalité. C’est exprimer combien l’Univers visible est immense et combien nous sommes petits, infinitésimaux pour ainsi dire. Si les êtres humains prenaient parfois le temps d’y réfléchir, je suis à peu près certain que bien des problèmes qui agacent notre vie quotidienne seraient alors considérés comme négligeables : Oculos habent et non videbunt… (ils ont des yeux mais ne voient pas)
 

 


Glossaire

     * Amas de galaxies : un amas de galaxies est l'association de plus d'une centaine de galaxies liées entre elles par la gravitation. En dessous de 100, on parle plutôt de groupe de galaxies, même si la frontière entre groupe et amas n'est pas clairement définie.

     Ces amas se caractérisent par leur forme (spécifique, sphérique, symétrique ou quelconque) ainsi que par la répartition et leurs nombres de galaxies (jusqu'à plusieurs milliers). Ils se sont formés il y a 10 milliards d'années, ce qui est relativement tôt par rapport à l'âge de l'univers (environ 14 milliards d'années). Ces amas peuvent eux-mêmes s'associer en groupes plus grands pour former des superamas.  

     Les amas de galaxies sont des structures stables, c'est-à-dire que ses constituants ne peuvent s'échapper du puits de potentiel gravitationnel de l'amas, les plus grandes et les plus massives de l'Univers actuel.

     Notre Galaxie appartient à un groupe de galaxies, comprenant une trentaine de galaxies, appelé Groupe local, lui-même inclus dans le superamas de la Vierge. (in Wikipedia France)

Images

1. le catalogue de Messier (sources : www.astrofiles.net/)

2. Emmanuel KANT, peinture anonyme vers 1790 (sources : www.culture.gouv.fr/)

3. la galaxie spirale NGC1232 Eridan (sources : cidehom.com)

4. la galaxie spirale barrée NGC 7424 (sources : www.insu.cnrs.fr/)

5. superamas de galaxies (sources : www.oca.eu/)

La nébuleuse planétaire "l'oeil du chat" (cateye)

     Le Soleil brille depuis toujours dans notre ciel et, compte tenu de la brièveté de la vie humaine – et même des civilisations – il nous apparaît comme quelque chose d'immuable, au point que, à l'aube de l'Humanité, il fut vénéré comme un Dieu immortel. Ce n'est évidemment qu'une illusion d'optique ou, plutôt, de temps. Comme toutes choses dans l'Univers, le Soleil évolue et se transforme : nos vies sont tout simplement trop courtes pour que nous nous en rendions compte. Toutefois, c'est un des grands mérites du cerveau humain que de pouvoir, comme ici grâce à la science, comprendre et imaginer des évènements hors de notre portée immédiate. Et nous pouvons savoir.

     Le Soleil et son cortège planétaire se sont créés voilà approximativement 4,5 milliards d'années, un temps si ancien que la perception de ce chiffre échappe à l'esprit humain. Notre étoile a surgi rapidement (en terme de temps galactique bien sûr) à partir d'un nuage de gaz intersidéral, par contraction puis embrasement nucléaire sous l'effet des forces de gravitation (peut-être grâce à la présence d'une supernova voisine ayant à cette époque engendré les ondes de choc nécessaires à l'embrasement gazeux; voir : le sujet "origine du système solaire"). En raison de ces phénomènes locaux et de la quantité de gaz disponible, l'étoile naissante s'est révélée être de type G2-V (voir glossaire), c'est à dire une étoile assez commune comme il en existe des milliards de milliards dans l'univers (et plus de cent millions dans la seule Voie lactée). Le Soleil en est à peu près au milieu de sa vie prévisible et il brillera encore longtemps mais, un jour incroyablement lointain à imaginer pour nos esprits, il sera inéluctablement voué à disparaître et cette disparition cataclysmique sera extraordinaire.

 

Le Soleil : quelques précisions

 
     Le Soleil est une naine jaune, c'est à dire de type assez commun puisque l'on estime que 10 % des étoiles de la galaxie sont de ce genre : elles sont moins fréquentes que les naines rouges qui sont un peu plus petites et un peu moins chaudes (d'où leur couleur) et représentent le gros du bataillon stellaire (près de 80 %) . En revanche, les naines jaunes sont bien plus nombreuses que les étoiles géantes ou supergéantes, voire des astres encore plus atypiques.

     Notre étoile est composée de 25 % d'hélium, de 74 % d'hydrogène et de quelques traces d'éléments plus lourds comme le fer ou le carbone. Ces éléments lourds attestent d'ailleurs du fait que le Soleil n'est bien sûr pas une étoile de la première génération (celles que l'on appelle les étoiles « primordiales ») puisque ces éléments n'ont pu se trouver dans le nuage gazeux à partir duquel s'est formé le Soleil que parce que d'autres étoiles, bien plus anciennes, ont précédemment vécu et sont mortes... On trouvera de plus amples informations sur ces étoiles très particulières dans le sujet qui leur est dédié : les étoiles primordiales.

     Le Soleil représente 95% de la masse du système solaire (les 5% restants étant principalement concentrés dans Jupiter). C'est dire combien notre planète est minuscule par rapport à lui. Je me souviens encore de ces images que, enfant, je contemplais dans les manuels de vulgarisation astronomique : on y montrait notre Terre comme une tête d'épingle sur une page où notre étoile ne pouvait figurer que partiellement ! Et que dire alors des étoiles géantes comme Antarès ou Bételgeuse... Oui, notre monde terrestre, si vaste à nos yeux, est en réalité un grain de poussière.

     Le Soleil tourne sur lui-même selon une période de 27 jours mais, comme ce n'est pas un objet solide, cette rotation imprime des vitesses différentes selon l'endroit que l'on observe : 25 jours à l'équateur solaire contre 35 jours aux pôles, cette déformation ne l'empêchant évidemment pas d'être parfaitement homogène et de brûler à peu près régulièrement.. Comme nous l'avons déjà dit dans un sujet précédent (voir sujet place du Soleil dans la Galaxie), notre étoile se déplace par rapport à notre galaxie (la Voie lactée appelée aussi LA Galaxie), riche de 200 milliards d'étoiles, dont il fait le tour en environ 220 millions d'années tout en se situant à quelques 26 000 années-lumière de son centre.

     Comme très certainement la majorité des étoiles de l'Univers, le Soleil est entouré d'un système planétaire ; le nôtre comprend huit planètes (depuis la rétrogradation de Pluton en 2006 par l'Union Astronomique Internationale) et, donc, trois planètes naines que sont : Pluton, Cérès et Éris. Ajoutons à cela une ceinture d'astéroïdes entre Mars et Jupiter et une autre à la périphérie du système (ceinture de Kuiper), des comètes, des météorites (voir glossaire) et de la poussière interstellaire. Bref, rien de très particulier.

     Comme toutes les étoiles, le Soleil doit son éclat à la fusion nucléaire : lui, il transforme son hydrogène en hélium et, ce faisant, produit une énergie considérable qui se transmet à son enveloppe externe pour y être émise sous la forme d'un rayonnement électromagnétique (lumière et rayonnement solaire) et d'un flux de particules qu'on appelle le vent solaire. On estime que la chaleur à la surface de la Terre est due pour près de 99,98 % au Soleil et pour seulement 0,02 % par la Terre elle-même (essentiellement la radioactivité naturelle) : c'est dire l'importance pour notre planète d'éventuelles variations de l'activité solaire...

     Cette transformation de l'hydrogène solaire en hélium est considérable : chaque seconde qui s'écoule, le Soleil « brûle » plus de quatre millions de tonnes de matière. Chaque seconde ! Et pourtant, sa masse est si considérable qu'il continuera ce petit jeu durant environ quatre à cinq milliards d'années... Tout, pourtant, a une fin. Celle du Soleil est si lointaine à nos yeux qu'elle ne nous préoccupe guère : lorsqu'elle surviendra, nous ne serons plus – et depuis si longtemps – que des atomes éparpillés et réincorporés à une quelconque structure elle-même transformée et modifiée tant de fois ! Mais elle surviendra.

 
La fin du système solaire

 
     Nous savons exactement de quelle manière cette fin arrivera (sauf impondérables assez improbables). Il est vraisemblable que si d'éventuels êtres vivants assistent (de loin) à ce spectacle ils n'auront pas grand chose à voir avec ceux que nous connaissons. Stephen Jay Gould, le paléontologue bien connu, écrit quelque part dans un des ses livres que les différentes espèces de mammifères ne vivent que quelques dizaines de millions d'années chacune au plus avant de disparaître. Alors, les hommes, avec leur développement hyperaccéléré en quelques millénaires... Quoi qu'il en soit, le scénario est prévisible.

     Le Soleil, on l'a déjà dit, est une naine jaune et on sait que seules les étoiles d'une taille huit fois supérieure aboutissent à une supernova (voir le sujet mort d'une étoile). Notre étoile, elle, épuisera progressivement sa réserve d'hydrogène, augmentant sa lumière d'un peu moins de 10% chaque milliard d'années. A terme, lorsque l'équilibre sera rompu, le noyau solaire se contractera en se réchauffant. De ce fait, les couches externes de l'étoile se dilateront progressivement et celle-ci se transformera en géante rouge (rouge puisque l'enveloppe extérieure de l'astre, plus loin du centre, se refroidira partiellement). Le diamètre du Soleil englobera alors les premières planètes du système, Mercure et Vénus, qui seront désintégrées tandis que la Terre sera définitivement brulée. L'hélium accumulé dans le cœur de l'étoile commencera ensuite à fusionner en formant du carbone et de l'oxygène tandis que, en périphérie, dans la coquille qui entoure le cœur, l'hydrogène restant sera lui aussi en fusion. L'énergie libérée sera alors considérable.

     Deux cent cinquante millions d'années s'écouleront encore avant que l'étoile ne devienne une supergéante rouge, 10 000 fois plus lumineuse que le Soleil actuel. Cet équilibre sera évidemment très instable et le noyau solaire va finir par s'effondrer sur lui-même éjectant dans l'espace intersidéral les couches externes de l'étoile mourante sous la forme d'une nébuleuse (dite improprement planétaire) aux formes multiples et changeantes. Il s'agit là de ces objets superbes et très impressionnants que l'on peut découvrir au télescope : je pense, entre autres, à la magnifique nébuleuse de l'œil du chat (NGC 6543) aux formes étranges - voir photo en début de sujet - ou encore à la nébuleuse de la boule de neige bleue (NGC 7862) qui affiche en périphérie de sa coque bleutée des éclaboussures de gaz rouge.

 
Vu de la Terre

 
     Il n'y aura – du moins je l'espère - plus personne pour contempler le spectacle sinistre et magnifique. Imaginons-le néanmoins.

     L'immense Soleil rouge aura englobé et détruit ses deux premières planètes mais la Terre sera probablement relativement épargnée. En effet, si le globe solaire parviendra bien jusqu'à l'orbite actuelle de notre planète, celle-ci aura été repoussée sur une orbite plus lointaine et cela en raison de l'attraction plus faible exercée par le Soleil qui aura à ce stade perdu environ 40% de sa masse. Le Soleil rouge sera plus froid que notre Soleil actuel (2000 kelvins contre 5800 aujourd'hui) mais il sera également bien plus proche. Du coup, la Terre verra la chaleur de sa surface portée à près de 1 000° ! Les océans se seront rapidement évaporés tandis que les continents ne seront plus identifiables (de toute façon, ceux que nous connaissons actuellement auront bien changé...).

     Il n'y aura, bien entendu, plus aucune trace de l'Humanité qui aura disparu depuis longtemps. Quoiqu'il en soit, pour peu qu'un observateur soit présent, il assistera à un spectacle extraordinaire : le Soleil rouge envahira presque tout le ciel et il n'y aura que quelques minutes d'obscurité relative entre son coucher à l'ouest et son lever à l'est. Cette situation durera encore près d'un milliard d'années, le temps que le noyau du Soleil éjecte ses couches externes sous la forme d'un vent stellaire incroyablement puissant pour aboutir, comme on l'a déjà dit, à une nébuleuse planétaire que la Terre verra se former de l'intérieur. Comme un oignon, le Soleil rouge sera « pelé » de ses enveloppes externes successives pour ne plus subsister que sous l'aspect d'une boule de gaz brûlante de couleur bleue à l'éclat 10 000 fois plus intense que celui du Soleil actuel. L'atmosphère terrestre ayant été détruite, les rayons ultraviolets émis par l'astre agonisant pourront encore plus facilement transformer les roches en une lave d'où s'élèvera une légère brume irisée bleutée.

     Le Soleil épuisera petit à petit ce qui lui reste d'énergie et deviendra une naine blanche (voir sujet mort d'une étoile) qui s'éteindra peu à peu au fil des millions d'années pour ne plus subsister que sous la forme d'une naine noire à la luminosité rémanente à peine visible, à la manière d'une lanterne sourde s'éteignant doucement. Enfin, ce qui restera du système solaire perdurera sous la forme d'une matière inerte et perpétuellement glacée dérivant dans l'espace. Le froid éternel après la chaleur infernale en quelque sorte. 

     Cette fin apocalyptique ne se produira pas avant très longtemps et il est certain que nous n'avons guère à nous en soucier. Notre planète bleue aura auparavant abrité ces espèces vivantes qui en font certainement un astre à part. Parmi ces espèces, l'Homme, probablement, aura poursuivi sa domination sans partage. Qu'en aura-t-il fait ? A cette question, la science ne peut pas répondre et c'est tant mieux. L'avenir, s'il est probable, n'est jamais totalement écrit par avance pour peu qu'une intelligence essaie de l'interpréter : un soupçon de (relative) liberté au sein d'un Univers purement mécanique.

Glossaire

 
     * type spectral G2-V : c'est le groupe auquel appartient le Soleil, un groupe assez banal faisant partie des naines jaunes. G2 veut dire que l'étoile est plus chaude que la moyenne des autres étoiles (qui sont, rappelons-le, pour la plupart des naines rouges) ; la chaleur de surface de ce type d'étoiles est d'environ 5770 Kelvins ce qui confère au Soleil une couleur jaune tirant sur le blanc. Le suffixe V, appelé classe de luminosité, rappelle que notre étoile est une naine qui se situe sur la branche principale du diagramme de classification des étoiles, appelé diagramme de Hertzsprung-Russel (cf sujets mort d'une étoile et la couleur des étoiles).

 
     * météorites : une météorite est un corps matériel extra-terrestre de taille comparativement petite qui atteint la surface de la Terre. On appelle astéroïde le corps céleste dans l'espace et météorite lorsqu'il s'écrase sur la Terre (in Wikipedia France). Pour plus d'informations, consulter le sujet : météorites et autres bolides)

Images

1. La nébuleuse planétaire NGC 6543, "l'oeil du chat", observée en 2004 par le télescope spatial Hubble,qui présente au moins 11 coquilles concentriques de matière éjectée.  

(sources : NASA/ESA/HEIC/STScI/AURA In www.astronomes.com)

2. Dans plusieurs milliards d'années, le soleil deviendra une géante rouge et attirera la Terre dans son atmosphère ardente (sources : www.techno-science.net/) 

3. géante rouge (sources : friendsweb.free.fr) 

4. naine blanche au sein de sa nébuleuse planétaire (sources : pagesperso-orange.fr/)

(Pour lire les légendes des illustrations, passer le pointeur de la souris dessus)

Mots-clés : naine jaune - naine rouge - géante - supergéante - étoiles primordiales - Antarès - Bételgeuse - Voie lactée - ceinture d'astéroïdes - fusion nucléaire - rayonnement électromagnétique - vent solaire - supernova - géante rouge - supergéante rouge - nébuleuse planétaire - naine blanche - naine noire

(les mots en blanc renvoient à des sites d'informations complémentaires)

Articles connexes sur le blog :

* mort d'une étoile

* novas et supernovas

* la couleur des étoiles

* origine du système solaire

* place du Soleil dans la Galaxie

*  les étoiles primordiales

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Mise à jour : 22 février 2023

     Afin de mieux appréhender les phénomènes astronomiques abordés précédemment dans le blog, il m'a semblé important de revenir sur la théorie de la Relativité Générale formulée en 1915 par Einstein (la même approche paraît nécessaire pour la mécanique quantique, voir sujet mécanique quantique). J'ai longtemps hésité pour choisir le chapitre dans lequel faire figurer ce sujet : la physique ou l'astronomie ? En définitive, puisque la théorie de la Relativité Générale permet de comprendre et d'expliquer nombre de phénomènes astronomiques, j'ai retenu l'astronomie bien que, stricto sensu, cette théorie relève en réalité de la physique fondamentale. Il va de soi que je n'aborderai pas ici l'aspect mathématique de la question (j'en serais bien incapable) et c'est essentiellement son aspect applicatif que je vais m'efforcer de résumer.

 
origine de la théorie

 

     Nous connaissons tous le phénomène de la gravitation qui nous permet – c'est l'exemple le plus simple – de rester soudés à notre bonne vieille Terre. C'est également cette « force » qui explique que les planètes tournent autour des étoiles ; elle qui attire les galaxies pour peu qu'elles soient suffisamment proches et elle encore qui, d'une manière plus générale, permet l'expansion de l'univers. Dès la fin du XVIIème siècle, Newton, on le sait, proposa une explication au phénomène. Il bâtit une théorie de la mécanique qui, au lieu de s'appuyer exclusivement sur la vitesse comme ses prédécesseurs, se fondait sur l'accélération. Il spécula sur l'existence d'une force agissant à distance entre deux objets, par exemple entre la Terre et la Lune ; il affirma que cette force résultait de la position relative, à un instant donné, des deux intervenants et qu'elle dépendait de leurs propriétés sur le moment, cela quelle que soit la distance les séparant. La gravitation, selon Newton, était donc une force instantanée, se propageant à une vitesse infinie. C'est ce caractère instantané, immédiat qui rebutait Einstein : pour lui, aucune information ne pouvait se propager à une vitesse supérieure à celle de la lumière et c'est ce qu'il chercha à démontrer des 1905 dans sa théorie de la Relativité Restreinte. Sa théorie stipule que la simultanéité ne peut pas être définie puisqu'elle diffère d'un observateur à l'autre si ceux-ci sont animés d'une vitesse non nulle. Problème : comment dès lors intégrer la notion de gravitation ? Dès l'énoncé de sa loi de Relativité Restreinte, Einstein s'acharna à trouver une explication de la gravitation coïncidant avec sa théorie et cela l'amena, une dizaine d'années plus tard, à présenter une extension de sa première théorie afin de passer à un échelon plus vaste : c'est la théorie de la Relativité Générale.
 

 
relativité restreinte

 
 
     Commençons tout d'abord par la Relativité Restreinte. Pour résumer, on peut distinguer dans la théorie les principes fondamentaux suivants :

  
          * dans le vide, la vitesse de la lumière est constante et approximativement égale à 300 000 km par seconde. Elle est toujours la même et cela ne dépend pas des observateurs, que ceux-ci soient ou non en mouvement.

  
           * il existe une stricte équivalence matière-énergie, cette équivalence étant résumée dans la formule célèbre : E = mc² où E représente précisément l'énergie et m la masse, c correspondant à la vitesse de la lumière. On peut le dire d'une autre façon : l'énergie (E) d'une molécule libre et au repos est égale à sa masse (m) que multiplie dans le vide le carré de la vitesse de la lumière (c).

 
          * l'espace et le temps sont indissociables : l'univers, que l'on pensaitjusque là à trois dimensions, en compte en réalité quatre puisqu'on doit y intégrer le temps.

 
     On vient de dire que le temps et l'espace sont indissociables et que la vitesse de la lumière est constante dans tous les référentiels inertiels, c'est à dire par rapport à des points de référence qui ne subissent aucune accélération. On peut donc en déduire que, si la vitesse de la lumière est en tout point constante, c'est le temps qui varie. Le temps peut donc ralentir, « se dilater » ou au contraire s'accélérer, « se contracter » et être donc « différent » d'un endroit à un autre, passant plus vite ici ou plus lentement ailleurs.

 
     A notre échelle, les dimensions étant très petites, ces différences ne nous sont pas perceptibles mais c'est une toute autre affaire dès que l'on s'intéresse, comme en astronomie, aux grands espaces. C'est la raison pour laquelle la physique newtonienne a paru longtemps parfaitement exacte tant qu'elle s'intéressait aux phénomènes terrestres mais apparemment légèrement imprécise dès que l'on regardait vers le système solaire et les étoiles : il s'agissait d'une espèce d'approximation des lois physiques.

 
     En fait, la Relativité Restreinte ne s'applique qu'aux phénomènes utilisant des vitesses constantes. Elle ne restait qu'une approche locale des phénomènes physiques tant que n'y était pas intégrée l'explication de la gravitation : c'est ce qu'Einstein s'ingénia à mettre en équations pour finalement aboutir à la généralisation de sa théorie.
 

 

relativité générale

 
     La théorie de la Relativité Générale est, on vient de le dire, une généralisation de la théorie de la Relativité Restreinte puisqu'elle intègre la gravitation qui y était absente. Résumons-là brièvement :

 
 
          * l'espace est déformable : toute masse peut le courber autour d'elle en formant ce que l'on appelle une géodésique, c'est à dire le chemin le plus court qui relie deux points d'une surface. Si l'espace est courbé par une masse, la liaison entre deux points ne sera évidemment pas une ligne droite mais l'adaptation d'une ligne droite à un espace courbe (on peut en voir un exemple sur l'image d'introduction). Imaginons pour mieux comprendre un tapis élastique épais sur lequel se trouve une balle de tennis. Si un petit chien vient s'allonger près d'elle, celui-ci va déformer légèrement le tapis et la balle va rouler vers lui. Le maître vient à son tour s'asseoir près de son chien et, cette fois-ci, le poids étant bien plus élevé et la déformation plus importante, c'est le chien qui risque de glisser vers lui avec la balle. Les objets de l'univers déforment donc l'espace et ce d'autant plus que leurs masses sont importantes : c'est ainsi que le Soleil déforme l'espace obligeant la Terre à tourner autour de lui, ce que fait d'ailleurs la Terre avec son satellite.

 
 
          * les objets qui se trouvent dans l'espace courbe créé par un objet plus volumineux s'approchent de lui en suivant des géodésiques mais comme il s'agit justement de géodésiques ils ne tombent jamais vers l'élément le plus massif mais se mettent en orbite autour de lui.

 
 
          * la courbure engendrée par une masse plus importante ne se propage pas vers les objets plus légers de manière instantanée mais à la vitesse de la lumière.

 
 
          * il s'ensuit de ces phénomènes que l'espace ne peut pas être quelque chose d'absolu et fixé une fois pour toutes : tout objet transforme l'espace en fonction de sa propre masse et crée donc des conditions locales particulières. L'espace est la résultante de l'ensemble de toutes les déformations et se modifie sans cesse.

 
 
     Restait à valider tout cela car les équations aussi remarquables soient-elles ne suffisaient pas et c'est Einstein lui-même qui suggéra trois expériences susceptibles de démontrer le bien-fondé de sa théorie.
 

 
preuves de la théorie de la relativité générale

 
     Einstein proposa trois expériences sur des phénomènes qui n'avaient jamais pu être expliqués par la théorie de la gravitation de Newton.

 
 
          * la première concernait un problème qui agaçait depuis des lustres la communauté astronomique : l'anomalie de l'avance du périhélie de Mercure (voir glossaire) ou, pour le dire plus simplement, l'existence d'un léger décalage dans la trajectoire de cette planète, une observation qui échappait à la physique newtonienne. En 1915, Einstein, calculs à l'appui, démontra que sa théorie correspondait parfaitement aux observations.

 
 
          * la deuxième, fondée sur l'aspect relativiste de sa théorie, postulait l'existence de mirages gravitationnels : la masse du Soleil courbe l'espace autour de lui ce qui entraîne la déviation des rayons lumineux des étoiles situées derrière lui. En absence du Soleil, la position apparente des étoiles sera strictement identique à leur position réelle. En revanche, la présence du Soleil donnera l'impression que les étoiles sont plus écartées qu'en réalité puisque les rayons lumineux provenant d'elles suivront la courbure accentuée de l'espace autour de lui. Pour pratiquer l'expérience, il faut donc des étoiles dont la position est parfaitement documentée, une éclipse de soleil... et un beau temps sans nuages. En 1919, Eddington observa ce mirage gravitationnel comme le prévoyait la théorie. Ce fut, on s'en doute, un énorme émoi dans la communauté scientifique que d'obtenir un tel résultat.

 
 
          * la troisième expérience était plus difficile à mettre en œuvre car un peu trop complexe pour les outils de l'époque. Il s'agissait de montrer un décalage dans la fréquence des atomes en fonction de la masse d'une étoile. C'est en 1960 seulement que l'expérience fut réalisée et couronnée de succès.

 
 
     Ces trois tests emblématiques ont définitivement validé la théorie.
 

 

pour quelles conséquences ?

 
     La première observation que l'on peut faire est que, en introduisant dans le corps de la théorie le principe dit de relativité (voir glossaire), Einstein a pu démontrer que, toutes conditions étant par ailleurs les mêmes, les lois de la physique sont applicables à l'ensemble de l'univers et qu'elles aboutiront par conséquent à des mesures identiques. C'est la raison pour laquelle on parle pour la Relativité Générale d'une théorie universelle. Du coup, l'espace lointain nous devient compréhensible, à l'exception notable du tout début, la singularité du Big Bang (voir sujets fond diffus cosmologique et matière noire et énergie sombre) où la gravitation n'existe plus (ou n'existe pas encore). Des phénomènes jusque là mystérieux ont pu commencer à recevoir un début d'explication. En effet, si la théorie newtonienne restait suffisante pour décrire la plupart des phénomènes observés à l'échelle des étoiles ainsi qu'au niveau du système solaire (sauf, comme on l'a vu plus haut, l'avance de la trajectoire de Mercure), pour certains objets observés, la théorie d'Einstein était absolument nécessaire. On peut en citer quelques uns :

 
 
          * les mirages gravitationnels :

 
     Comme on l'a déjà dit, un mirage gravitationnel est une déformation de l'image provenant d'une source lointaine à la suite de la présence entre cette source et l'observateur d'un objet très massif (par exemple un groupe de galaxies) qui modifie l'espace-temps. Depuis la première expérience de 1919, le phénomène a été identifié à de nombreuses reprises (notamment par le télescope spatial Hubble) dès lors que l'on étudie l'univers lointain et il sert même à la détection de la matière noire. On trouvera une illustration récente de ces mirages gravitationnels dans la note située en fin de cet article.

 
 
          * les étoiles à neutrons :

 
     Nous avons déjà eu l'occasion d'évoquer ce stade terminal de la vie de certaines étoiles (voir sujet mort d'une étoile). Rappelons brièvement qu'il s'agit de la mort d'étoiles massives sous l'effet de leur gravité propre, une fois qu'elles ont épuisé leur combustible nucléaire. Après avoir explosé en supernova, l'étoile ne se présente plus que sous la forme de son noyau extrêmement dense qui peut se mettre à tourner à grande vitesse sur lui-même en émettant un champ magnétique puissant : on parle alors de pulsar. Le plus souvent, les étoiles à neutrons, en raison de leur très petite taille, restent invisibles.

 
 
          * les trous noirs :

 
     Il s'agit ici d'objets supermassifs possédant un champ gravitationnel si intense que rien ne peut s'en échapper. C'est ce à quoi conduit la mort des très grosses étoiles puisque le noyau résiduel est ici si massif qu'il ne peut même pas conduire à une étoile à neutrons. Prédits par la théorie de la Relativité Générale, les trous noirs ne peuvent évidemment pas être observés (ils sont « noirs » puisque aucune matière ne s'en échappe, pas même la lumière) mais soupçonnés par leur action sur leur environnement (par exemple, une quantité importante de rayons X provoquée par la surchauffe de la matière avant d'être engloutie). Leur existence est à présent une certitude pour la communauté scientifique.
 

 
     La théorie de la Relativité Générale est donc, comme on vient de le voir par ces quelques exemples, l'outil idéal pour expliquer de nombreux phénomènes cosmiques. Elle donne une excellente explication de la gravitation, même pour l'univers lointain difficilement déchiffrable, et elle n'a jamais été prise en défaut. Pour autant, la situation n'est pas parfaite car jamais on n'a pu faire coexister cette théorie avec la mécanique quantique, seule à même d'expliquer les phénomènes subatomiques. Et cela fait désordre.
 

 
la théorie du tout

 
     Pour résumer l'étendue du problème qui se pose aux scientifiques, rappelons qu'il existe dans l'univers quatre forces fondamentales : la gravitation qui concerne tout l'univers visible, et trois autres – électromagnétisme, interaction faible et interaction forte – qui concernent le monde de l'atome et sont expliqués par la mécanique quantique (voir aussi le sujet constituants de la matière). Impossible jusqu'à présent d'unifier ces quatre forces : on a eu beau faire – Einstein le premier - la gravitation ne peut pas être décrite dans un cadre quantique. Il est certain que, quelque part, une pièce du puzzle est absente... à moins qu'une erreur ne se soit glissée quelque part, soit dans la Relativité Générale, soit dans la mécanique quantique. Mais cette éventualité est finalement peu probable, ni l'une, ni l'autre des deux approches n'ayant jamais été prises en défaut alors que toutes deux ont considérablement fait avancer nos connaissances théoriques et se sont prolongées dans une foule d'applications pratiques.

 
     Les scientifiques sont donc toujours à la recherche d'une « théorie du tout » qui unifierait Relativité Générale et mécanique quantique. Il existe des pistes mais essentiellement théoriques et qui demandent à être approfondies : je pense à la « théorie des cordes » qui permettra peut-être d'intégrer la gravitation à l'univers des quanta. Pour le moment, cette approche reste du domaine de la recherche pure. Une chose est néanmoins sûre : la Relativité Générale nous a permis de commencer à comprendre comment s'organisait et interagissait l'univers immense qui nous entoure : ce n'est déjà pas si mal.

 
Glossaire (in Wikipedia France)

 
* périhélie : le périhélie est le point de l'orbite d'un corps céleste (planète, comète, etc.) qui est le plus rapproché du Soleil. Cela se dit aussi de l'époque où l'objet a atteint ce point. La Terre décrit une orbite elliptique dont le Soleil occupe un des foyers. Elle est au périhélie vers le 3 janvier, à une distance de 0,983 ua (nota : une unité astronomique ou ua correspond à la distance moyenne entre la Terre et le Soleil)
 
* principe de relativité : dans son expression moderne, le principe de relativité affirme que les lois physiques sont les mêmes pour tous les observateurs. Cela ne signifie pas que les événements physiquement mesurables dans une expérience sont les mêmes pour les différents observateurs, mais que les mesures faites par les différents observateurs vérifient les mêmes équations. Toutefois, pour deux expériences préparées de manière identique dans deux référentiels distincts soumis aux mêmes contraintes gravitationnelles (tous les deux inertiels par exemple) les lois sont rigoureusement identiques et donnent des mesures identiques dans leurs référentiels respectifs. On dit que les lois sont « invariantes par changement de référentiel », ou encore qu'elles sont « covariantes ».
 
 

Images :

1. il s'agit d'une représentation bidimensionnelle de la distorsion spatio-temporelle. La présence de matière modifie la géométrie de l'espace-temps. De ce fait, la ligne qui unit deux objets est adaptée à la courbure de l'espace : ce n'est plus une ligne droite comme dans la géométrie classique mais une géodésique. (sources : www.arcanes.org/)

2. Albert Einstein (source : www.futura-sciences.com)

3. lentille gravitationnelle (source : wikipedia.org)

     A l'aube de l'Humanité, dès qu'il eut une conscience, l'Homme s'est cru le centre du Monde. Il se considérait, à tort ou a raison, comme plus développé et mieux organisé que les autres êtres vivant sur sa planète et nul doute pour lui que la Terre avait été créée pour sa convenance, une Terre évidemment au centre d'un Univers dont il ignorait presque tout. 

     Cet anthropocentrisme rappelle, toutes proportions évidemment gardées, les premières années d'un enfant : lui-aussi a d'abord l'impression qu'il est le centre du monde. L'enfant ignore longtemps qu'il existe des lieux et des gens en dehors de son petit univers. Ce sont ses parents d'abord, puis l'école et la pression sociale qui lui font comprendre sa place réelle qui n'est pas aussi importante qu'il le pensait au départ. Si l'on poursuit cette analogie, on comprend assez vite que l'école, pour l'Humanité, c'est la Science. C'est elle qui explique que l'univers est bien plus vaste que primitivement pensé et, surtout, que l'Homme n'est qu'une minuscule partie d'un tout qui ne lui est pas dédié.

    Cette impression que la Terre est le centre du monde (géocentrisme) a longtemps marqué les esprits, au moins jusqu'aux temps modernes, et on peut même parfois se demander si, de nos jours, tous les hommes se sont bien affranchis de cette illusion.

les temps historiques

 
     Si l'astronomie fut très tôt développée (essentiellement pour des raisons religieuses), parfois de matière assez précise, par les grandes civilisations de l'antiquité (Chine, Babylone, Égypte, Inde, etc.), ce sont les Grecs qui ont été les premiers à tenter d'expliquer les lois de la Nature à partir de véritables expériences, et non plus d'après les récits traditionnels.

  
     Au début, vers – 600 ans av. JC., les penseurs grecs, comme Thales ou Anaximandre (voir glossaire), imaginent une Terre plate entourée de sphères où sont accrochées les étoiles. Un peu plus tard, vers – 500 ans av. JC, les pythagoriciens (voir glossaire) développent le concept en incluant un assemblage de sphères dont la dixième, la plus extérieure, supporte le champ étoilé : ils proposent même de faire coïncider le son (harmoniques) avec ces sphères d'où l'idée de « sphères musicales ».

  
     Platon (voir glossaire), par la suite, imagine une terre ronde, centre du Monde, entourée d'une sphère d'eau, d'une sphère d'air et, pour la plus extérieure, d'une sphère de feu : c'est sur cette dernière que sont accrochées les étoiles...

 
   C'est avec Aristote, au quatrième siècle av. JC, que ce système géocentrique se complexifie : l'univers est fini et la Terre (sphérique) est toujours le centre du Monde. Deux parties composent cet univers : celle située sous l'orbite lunaire (et donc infralunaire) et l'autre, supralunaire, qui comprend un grand nombre de sphères (55) dont la dernière, la plus extérieure, est ici aussi celle des étoiles. Tout ce qui est supralunaire est considéré comme immuable et parfait, à l'inverse du monde infralunaire, celui de la Terre et des humains, où l'on meurt et où tout semble se transformer.

 
     Puis vient Ptolémée qui, dans l'Almageste, un de ses ouvrages les plus célèbres, va organiser l'ensemble des connaissances mathématiques et astronomiques de son temps : le géocentrisme qui y est défendu sera la référence durant près de 1300 ans.

 
     Il faut en effet attendre Copernic, au seizième siècle, pour voir la Terre déchue de son rôle central. Encore n'est-ce qu'un début puisque, si le système copernicien retire à la Terre son immobilité et la fait tourner autour du Soleil, ce dernier reste encore le centre du monde. De plus, si pour Copernic la Terre et les autres planètes tournent autour du Soleil, le savant conserve la vieille image des sphères aristotéliciennes. Peu après, Tycho Brahé, un astronome pourtant des plus réputés, bâtira un système revenant sur une Terre immobile, la Lune et le Soleil tournant autour d'elle tandis que les autres planètes gravitent autour du Soleil.

 
     C'est à partir de Galilée (et grâce à sa lunette astronomique) que les temps changent vraiment, plutôt lentement d'ailleurs si l'on songe aux difficultés bien réelles que le savant eut avec les autorités religieuses de son époque. Le géocentrisme moribond vivra encore quelques péripéties éparses mais, la connaissance de notre univers progressant, il sera bientôt définitivement abandonné. Gardons-nous néanmoins de tout triomphalisme en nous rappelant que, jusqu'aux travaux de Hubble (voir sujet céphéides), dans les années 1920 (et plus exactement en 1924 soit il n'y a que 83 ans !), bien des scientifiques excluaient la présence d'étoiles hors de notre galaxie...

 
     On constate donc combien il est difficile de se débarrasser des idées erronées tant elles paraissent acquises à une multitude d'esprits qui, par intérêt, facilité ou complaisance, cherchent avant toutes choses à ne pas remettre en cause un ordre estimé établi une fois pour toutes, montrant ainsi un état d'esprit exactement à l'opposé de celui nécessaire à une authentique approche scientifique.
  

La Terre, aujourd'hui

 
     Eh bien, c'est une planète toujours aussi merveilleuse – parce que c'est la nôtre – mais au fond bien banale. Il est probable que des millions (des milliards ?) de planètes semblables existent jusqu'aux confins de l'univers et que, peut-être, certaines d'entre elles abritent la Vie. La Terre est la troisième planète d'un système qui en compte huit (plus quelques gros planétoïdes comme Pluton et Charon en périphérie). Elle tourne autour d'une étoile, elle-aussi des plus banales, cataloguée comme naine jaune, et qui en est arrivée à peu près à la moitié de sa vie. Cet astre assez petit est situé dans le bras d'Orion, plutôt en périphérie de la galaxie qui nous abrite, la Voie lactée (voir sujet place du Soleil dans la Galaxie). La Galaxie – avec un grand « G », autre nom donné à la Voie lactée – contient environ 300 milliards d'étoiles et le Soleil est l'une d'entre elles.

 
     Et au delà ? On trouve, près de la Voie lactée, quelques galaxies qui forment ce que l'on appelle le Groupe local. La galaxie d'Andromède (un objet superbe à regarder par une nuit propice pour peu qu'on soit suffisamment équipé et dont la photo sert d'introduction à l'article) est assez semblable à notre propre galaxie et les forces gravitationnelles étant à l'œuvre puisque les objets sont proches, on prédit que ces deux entités dominantes devraient se télescoper dans environ deux milliards d'années : nous ne serons plus là pour le voir et c'est bien dommage parce que les ciels nocturnes de cette époque seront très sûrement extraordinaires. Ce groupe local (un terme inventé par Edwin Hubble) renferme une grosse trentaine de galaxies, la plupart satellites des deux galaxies principales.

     Les galaxies ne sont donc pas uniformément réparties dans l'univers ; elles sont regroupées en amas qui ont tendance à s'éloigner les uns des autres en raison de l'expansion - dont on sait d'ailleurs à présent qu'elle s'accélère - de l'univers : c'est la fameuse « fuite » des galaxies que l'on met en évidence par le décalage vers le rouge de leurs spectres lumineux en fonction de l'effet Doppler, un phénomène que les anglo-saxons appellent « Redshift ». Toutes les galaxies de l'univers visible semblent donc nous fuir, à la notable exception des quelques habitantes de notre groupe local pour la raison déjà évoquée, la gravitation.

     Entre les amas de galaxies, il n'existe que d'immenses (mais je devrais dire incommensurables !) zones vides, à l'exception parfois d'un peu de gaz et, peut-être de matière encore inconnue. Ces amas se regroupent eux-mêmes en superamas, puis les superamas en des sortes de filaments ou de grilles qui occupent tout l'espace que nous pouvons voir et/ou deviner. Des milliards de galaxies contenant chacune des centaines de milliards d'étoiles. Impossible de se représenter, de comprendre un tel chiffre... Et le Soleil n'est que l'une de ces étoiles (voir note de bas de page).

 
     Mais alors, si le Soleil n'est pas le centre de l'univers, où se trouve donc celui-ci ? Passionnante question qui a occupé des milliers de discussions scientifiques et opposé tant de grands savants !

Le centre du « monde »

 
     Avant de localiser où se trouve le centre de l'univers, il convient au préalable de se poser la question de savoir s'il en existe un... La réponse est d'emblée troublante : aux yeux de la cosmologie moderne, le centre de l'univers est partout... et nulle part ! En effet, depuis Einstein et la théorie de la relativité générale (voir le sujet correspondant), on considère qu'aucun repère absolu n'existe et, de ce fait, tout observateur, où qu'il soit, peut toujours prétendre être au centre du monde...

     Pour essayer de comprendre cet apparent paradoxe, revenons sur ce que nous savons (ou croyons savoir) sur notre univers et ses origines.

 
     * le Big bang

 
     Depuis Hubble et sa découverte de la fuite des galaxies, nous savons donc que l'univers est en expansion, une expansion qui dure depuis à peu près 13,7 milliards d'années. (On trouvera un exposé plus détaillé sur l'âge et la formation de l'univers dans le sujet Big bang et origine de l'univers). Supposons que, à l'instar d'un film, nous puissions rembobiner l'histoire du cosmos : l'espace se contracte et les groupes de galaxies se rapprochent les uns des autres pour, à la fin, ne plus former qu'un seul point minuscule appelé singularité. Toute la matière de l'univers se retrouve alors dans un espace nul où la température, la courbure de l'espace-temps, la densité sont infinies et où les lois physiques que nous connaissons ne peuvent pas s'appliquer. La singularité est le cataclysme originel au delà duquel nous ne pouvons plus remonter : c'est le point de départ de notre univers, là où va se produire le Big bang qui déclenchera l'expansion. Impossible de savoir ce qu'il y avait avant et même s'il y avait un « avant ». Toutefois, les cosmologistes modernes proposent certaines solutions à ce paradoxe (voir : avant le Big bang)

 
     D'autre part, lorsque nous regardons l'univers visible autour de nous, nous lui reconnaissons une certaine homogénéité : dans toutes les directions, on trouve des galaxies regroupées en amas et réparties globalement de la même façon ; on dit que l'univers apparaît homogène quelle que soit sa partie observée. Pour qu'il y ait un même aspect de l'univers quel que soit le lieu, il faut bien qu'il y ait eu à un moment donné une interaction entre ces régions éloignées les unes des autres afin d'avoir assuré l'homogénéité de leurs propriétés.

     Or c'est là que le bât blesse : le fond diffus cosmologique (voir sujet), qui est le résidu du big bang, est visible dans toutes les directions à 13,7 milliards d'années-lumière (dans le passé puisque c'est la lumière de cette époque qui nous parvient aujourd'hui) et on observe des galaxies vieilles de 13 milliards d'années de tous côtés. Cela veut dire que les plus éloignées d'entre elles sont séparées par 25 milliards d'années-lumière et donc qu'elles n'ont pas pu être en contact puisque la lumière n'existe que depuis 13 milliards d'années environ et que rien ne va plus vite que la lumière... Leurs propriétés n'ont pu être homogénéisées (par exemple, la densité de la matière, la chaleur et, d'une manière générale, toutes les propriétés physiques) or elles sont quand même homogènes. Où est donc l'erreur ?

     Comme il est vraiment peu probable que tout ceci soit dû au hasard, deux explications sont envisageables :

a. l'Univers est beaucoup plus vieux que ce que l'on croyait ou

b. il était au début beaucoup plus petit que ne nous le laisse supposer l'expansion actuelle. C'est cette dernière explication qui a la faveur des astronomes : l'univers était au début très petit puis il a subi une accélération vertigineuse de son expansion (les objets cosmiques étaient alors « en contact ») avant de revenir au rythme actuel. Cette accélération fantastique est appelée « inflation ».

 
     L'autre hypothèse (l'univers plus vieux) n'est pas réellement abandonnée : elle expliquerait la singularité et ce qu'il y avait avant mais impossible d'aller plus loin. La théorie de la relativité générale ne peut répondre (dans la singularité, la gravitation n'existe pas puisque la matière y est confinée) et il faudrait la remplacer par une théorie quantique de la gravitation qui n'existe pas (ou pas encore).

 
          * le centre de l'univers

 
     On vient de voir que le big bang, point de départ (mais pas forcément de début) de notre univers a eu lieu partout et en même temps dans la singularité. On peut dire les choses autrement : tout l'espace-temps était déjà contenu dans ce point originel. Il faut bien comprendre ce que cela veut dire : tout l'espace était dans ce point et il n'y avait donc rien en dehors parce qu'il n'y a pas de « dehors ». L'espace s'est simplement dilaté, partout et dans toutes les directions.

     Que peut-on en conclure? Eh bien que le « centre » est partout. Supposons, en effet, un observateur situé à, disons, 1 million d'années-lumière de nous (nous, nous ne le verrions seulement que dans 1 million d'années, lorsque la lumière qui l'éclaire nous parviendrait). Cet observateur verrait en ce moment le fond diffus cosmologique à 13,7 milliards d'années. Et les mêmes images décalées dans le temps des galaxies lointaines. Comme nous. Il aurait comme nous l'impression d'être au centre d'une sphère s'étendant dans toutes les directions jusqu'à 13,7 milliards d'années dans le passé... On peut donc avancer qu'il n'y a pas de « bord » : en ce moment, tous les objets existant dans l'univers sont effectivement à 13,7 milliards d'années-lumière du fond diffus cosmologique. Et s'il n'y a pas de bord, c'est partout le centre... et nulle part. Simple, non ?

L'homme est si petit et si facile à tromper

 
     Nous nous trouvons sur une planète, la Terre, qui a eu le grand mérite de voir apparaître la Vie. Cette vie a suffisamment évolué pour se poser la question de sa place dans la grande machinerie de l'univers. Au début, comme c'est souvent le cas quand on ignore à peu près tout, nous nous sommes pris pour le nombril du monde : non seulement l'univers, si grand qu'il ne peut être réellement appréhendé par l'esprit, nous était destiné mais notre planète, immobile, voyait tourner autour d'elle les milliards de milliards d'étoiles accrochées à on ne sait quelle tapisserie cosmique.

     Il en aura fallu des discussions, des controverses, des excommunications mais également des observations longues et minutieuses mâtinées de spéculations géniales pour en arriver à la conclusion que, non, décidément, la Terre n'est pas – au sens antique - le centre du monde. Vanitas vanitatum, omnia vanitas...

Glossaire (in Wikipedia France)

* Anaximandre : Anaximandre de Milet (en grec ancien (ναξίμανδρος / Anaxímandros) (610 av. J.-C. – vers 546 av. J.-C.) est un philosophe grec présocratique. Il succéda à Thalès comme maître de l'école milésienne, et compta Anaximène et Pythagore parmi ses élèves. Anaximandre passe pour le premier philosophe à avoir consigné ses travaux par écrit. Seul un fragment est parvenu jusqu'à nous, mais les témoignages antiques permettent de se faire une idée de leur nature et de leur étendue, qui couvre la philosophie, l'astronomie, la physique, la géométrie mais aussi la géographie.

 
 * Thalès : Thalès de Milet appelé communément Thalès (en grec ancien Θαλής / Thalês), était un philosophe présocratique ionien né à Milet vers l'an 625 et mort vers l'an 547 av. J.-C. Il fut l'un des Sept sages de la Grèce et le fondateur présumé de l'école milésienne. Il est souvent considéré comme le premier philosophe de l'Occident.

 
* pythagoriciens : Pythagore (en grec Πυθαγόρας / Pythagóras, annoncé par la « Pythie »), né vers -580 et mort vers -490, était un mathématicien, philosophe et astronome de la Grèce antique. L'école pythagoricienne était une école philosophique de l'Antiquité fondée par lui. L'enseignement pythagoricien était divisé en deux parties : une partie pour les acousmaticiens, les non encore initiés, et une pour les initiés, les mathématiciens. Cet enseignement était oral et secret. La transmission du savoir entre disciples était indissociable du respect des règles morales de la fraternité (philias) dans son ensemble : règle du silence, respects du grade d'initiation des disciples. L'école pythagoricienne était ainsi une confrérie tant religieuse que scientifique, s'intéressant principalement à l'enseignement des mathématiques, de l'astronomie, de l'éthique et de la politique.

 
* Platon : Platon (en grec ancien Πλάτων / Plátôn, Athènes, 427 av. J.-C. / 348 av. J.-C.) est un philosophe grec, disciple de Socrate. Surnommé le « divin Platon », il est souvent considéré comme un des premiers grands philosophes de la philosophie occidentale. La philosophie platonicienne se caractérise par son extrême richesse. On a l'impression qu'il n'y a pas de problèmes ou de questions que Platon n'ait déjà soulevés. Platon s'est tourné aussi bien vers la philosophie politique que vers la philosophie morale, la théorie de la connaissance, la cosmologie ou vers l'esthétique. Ses positions sont encore souvent discutées ou défendues par la philosophie contemporaine.

 

Note : le nombre des étoiles (in Science & Vie, n° 1031, août 2003)

 
     Leur nombre n'est pas si facile à estimer : les astronomes reconnaissent que cette question n'a pas encore de réponse. Simplement parce que nous ne pouvons pas voir au delà d'un horizon de 14 milliards d'années-lumière (la limite fixée par l'âge de l'Univers). Mais il est possible d'évaluer le nombre des étoiles dans l'Univers observable. D'abord, compter les étoiles dans une galaxie moyenne : jusqu'à 200 milliards (soit 2x10¹¹) dans un spécimen moyen comme notre Voie Lactée. Le chiffre est ensuite à multiplier par le nombre de galaxies observables, soit environ 100 milliards (10¹¹), dont 100 millions vues par le télescope du Mont Palomar (USA). On obtient, au final, le chiffre (astronomique !) de 20 000 milliards de milliards (2x10²²). Il s'agit d'une estimation à quelques milliers de milliards de milliards près...

Images

1. la galaxie d'Andromède M31 (sources : klmt.club.fr/hddp/)

     Plus grande galaxie de notre groupe local (plus grande mais, semble-t-il, moins dense que la Voie lactée), elle donne une image assez fidèle de ce à quoi ressemble notre galaxie.

2. Galilée (sources : pagesperso-orange.fr/)

3. redshift ou décalage vers le rouge par effet doppler (sources : snap.lbl.gov/science/)

     Note : moving toward you = se rapprochant de vous; at rest = statique; moving away from you = s'éloignant de vous

4. l'expansion de l'univers : observer les objets astronomiques, c'est regarder dans le passé jusqu'à un mur pour l'instant infranchissable : le fond diffus cosmologique, situé 300 000 ans après le big bang, soit à 13, 5 milliards d'années dans le passé. Un passé qui s'accroit plus vite que le temps sur Terre en raison de l'expansion de l'univers et de la fuite des galaxies (sources : snap.lbl.gov/science/)

     « Joroan observait avec attention le soleil bleu qui s'apprêtait à disparaître derrière la colline escarpée. Depuis presque trois heures, son compagnon, le soleil rouge, s'était avant lui éclipsé. Du coup, la lumière ambiante, de bistre moyen, s'était parée d'un bleu étrange qui gommait les couleurs des terres et des montagnes. Il n'était pas facile pour un humain de se régler sur ces changements pourtant prévisibles mais toujours surprenants et Joroan n'avait dû qu'aux simulations d'entraînement de ne pas être totalement dépaysé. On disait même qu'à certaines périodes de l'année, probablement en fonction de l'éloignement respectif des deux binaires et d'éclipses plus ou moins complètes, la planète se paraît de teintes encore plus sauvages. Dans quelques minutes, l'obscurité allait se faire mais une obscurité elle-aussi inhabituelle, variable selon les heures et les endroits et donc d'autant plus traîtresse. »
                                                     (extrait du livre « Alcyon B »)
 

     Quel ciel étrange que celui d'une planète gravitant autour d'une étoile possédant un ou plusieurs compagnons stellaires ! Mais cela est-il possible dans un Univers qui ne serait pas seulement celui d'un auteur de science-fiction ? Je m'étais souvent posé la question puis, un jour, à la télévision, j'ai lu le point de vue d'un astronome très médiatisé (dont je tairai le nom) qui affirmait de façon péremptoire à peu près ceci (je le cite de mémoire) : « Il est tout à fait impossible qu'un système à plusieurs étoiles puisse posséder des planètes tournant autour de l'une d'entre elles et, a fortiori, de l'ensemble. En effet, ces planètes potentielles ne pourraient jamais maintenir une orbite stable et elles seraient soit rejetées vers l'un des soleils et donc détruites, soit évacuées du système vers le vide interstellaire. De plus, je peux affirmer que les forces d'attraction du système ne permettraient pas la création de tels astres ». Bon. Dommage pour les amateurs de science-fiction, me suis-je dit. De toute façon, il faudra encore bien du temps pour aller voir sur place si par hasard...

     C'était sans compter avec le génie de la Nature... et la curiosité des hommes. Depuis plusieurs années déjà, de nombreuses exoplanètes (voir glossaire et le sujet : planètes extrasolaires) ont été découvertes : plus de 1700 recensées en avril 2015. L'excellente revue Science & Vie a fait, en 2007, le point sur la question et, à cette occasion, a même cherché à décrire certaines d'entre elles, du moins à partir du peu que nous en savons. Je ne résiste pas au plaisir de citer quelques lignes de cette revue (Science & Vie, Hors-série 239, juin 2007) qui, je l'espère, me pardonnera la courte citation : « Trois soleils dans le ciel, voilà ce que découvrirait le visiteur de la planète HD 188753 A b, située à 140 années-lumière d'ici, dans la constellation du Cygne. Il s'agit d'une planète gazeuse à peine plus grosse que Jupiter qui tourne en un peu plus de 3 jours à seulement 6,6 millions de km de son soleil. Vue depuis cette planète, son étoile apparaît vingt fois plus grande dans son ciel que le Soleil depuis la Terre. Plus étonnant, un couple d'étoiles orangées tourne aussi autour de HD 188753 A (voir glossaire). Illuminée par ce système d'étoiles triples, l'exoplanète HD 188753 A b a été surnommée Tatooine par les astronomes, en référence à la planète où Luke Skywalker a grandi dans la Guerre des étoiles. »

     Il s'agit ici, bien sûr, d'une planète gazeuse et, qui plus est, très proche de son soleil mais elle a le mérite d'exister dans un système multiple. Nos outils d'observation ne sont pas encore suffisamment performants pour dénicher les petites planètes telluriques (comme la Terre) autour de ces soleils lointains mais je reste persuadé que ce n'est qu'une question de temps. Quoi qu'il en soit, l'astronome « expert » avait tort et l'auteur de science-fiction, sans le savoir, raison. Cela m'a donné l'idée de m'intéresser aujourd'hui à ces systèmes d'étoiles multiples qui doivent éclairer bizarrement les planètes qui s'y trouvent.

systèmes d'étoiles multiples

 
     D'emblée, il convient de préciser que je vais parler des étoiles doubles « vraies » (étoiles physiques) par opposition aux « fausses » (étoiles doubles optiques) qui ne paraissent proches que par un effet d'optique dû à la perspective (ces étoiles peuvent être en réalité très éloignées les unes des autres et ne sont, de toute façon, pas liées entre elles).

     Il existe des systèmes d'étoiles doubles, c'est à dire regroupant deux étoiles - qu'on appelle aussi étoiles binaires - et des systèmes d'étoiles multiples comportant trois, quatre voire plus d'étoiles liées les unes aux autres. Notons que ces dernières (plus de deux) sont quand même nettement plus rares que les binaires proprement dites. Quel que soit leur nombre, ces astres, liés par la gravitation, ont la particularité de tourner autour d'un point commun virtuel qui est la résultante des différentes forces d'attraction. Plus ces étoiles liées sont nombreuses et plus le calcul de leurs orbites respectives sera, on le comprend bien, compliqué.

  
nombre et formation des étoiles multiples

 
     Jusqu'à il y a peu, on pensait que la grande majorité des étoiles étaient doubles ou multiples. On a avancé le chiffre de 70% ce qui ne laisse que 1/3 des étoiles comme notre Soleil, c'est à dire solitaires. En fait, on est quelque peu revenu sur cette affirmation car s'il est vrai que la majorité des étoiles massives et brillantes sont doubles, cela est moins le cas des naines rouges qui forment le gros bataillon de l'armée stellaire. Reste que les étoiles doubles sont très nombreuses (environ 50% de l'ensemble des étoiles) et on peut se demander pourquoi. Pour cela, il faut comprendre leur mode de formation.

     Avant qu'une étoile n'apparaisse, il existe un immense nuage de gaz d'hydrogène dont une partie va se contracter sur elle-même, attirant de plus en plus de gaz et de poussières (voir le sujet : la formation des planètes). Les forces gravitationnelles augmentant avec la densité, il y a échauffement et condensation du nuage : la protoétoile rayonne d'abord dans l'infrarouge puis initie une réaction nucléaire si chaleur et masse sont suffisants. Une nouvelle étoile va alors « s'allumer ». Le nuage primordial, toutefois, n'est pas homogène et ses mouvements plus ou moins violents peuvent conduire à sa fragmentation : plusieurs parties du nuage peuvent aboutir à des étoiles dont la proximité les lient inéluctablement. En schématisant quelque peu, on pourrait presque dire que l'importance du nuage originel explique pourquoi les naines rouges qui sont de petites étoiles, plus petites que le Soleil, sont isolées tandis que les étoiles massives et supermassives ont des compagnons proches...

observation et classification des étoiles multiples

 
     En dépit du perfectionnement de nos outils d'observation, il reste difficile d'identifier les systèmes d'étoiles multiples dès lors qu'ils sont suffisamment éloignés de nous (C'est d'ailleurs totalement impossible en dehors de notre galaxie). On va donc chercher, comme toujours en astronomie lorsque l'observation directe est insuffisante, à s'en remettre à des preuves indirectes.

 
     Certaines étoiles présentent des variations de magnitude (éclat apparent) mais selon un processus totalement différent des céphéides ou étoiles variables que nous avons évoquées dans un sujet précédent (voir sujet céphéides). Ici, il ne s'agit pas d'une réelle variation de la luminosité de l'étoile mais de l'éclipse mutuelle de deux étoiles dont les orbites se superposent à un moment donné : l'éclat le plus faible se produit lorsque l'étoile la moins brillante vient se superposer à la plus brillante (dans le cas contraire, on voit également une variation de magnitude mais plus difficile à discerner). On parle alors de binaires à éclipses. La plus célèbre de ces étoiles est Algol (de la constellation de Persée), un couple d'étoiles où la plus brillante, une géante bleue, est en partie occultée par son compagnon, un astre orangé. Il en existe d'autres comme la supergéante rouge en fin de vie, Antarès, que j'ai déjà évoquée dans un autre sujet, ou Sirius, géante rouge occultée par son compagnon, une naine blanche.

 
     Une autre façon d'identifier des binaires est de visualiser la soudaine apparition d'une "nouvelle étoile", une " nova ". Il s'agit de la brusque augmentation de luminosité d'une étoile intervenant lors de sa fin de vie : est alors presque certainement concerné un système binaire associant une naine blanche (étoile compacte au cœur éteint) qui « capte » de la matière provenant de sa compagne. Le gaz arraché ne s'incorpore pas directement à la naine blanche mais forme un anneau brûlant autour d'elle (on parle alors de disque d'accrétion) qui explique les variations de luminosité observées.

 
     Signalons enfin les binaires X : en pareil cas, il ne s'agit pas de variation de lumière visible mais d'un sursaut d'émission de rayonnement X correspondant lui-aussi à un transfert de matière entre une étoile encore en activité vers son compagnon qui est soit une étoile à neutrons, soit plus rarement un trou noir (voir sujet mort d'une étoile).

 
          devenir des systèmes d'étoiles multiples

 
     Je faisais précédemment allusion à la complexité des orbites de ces étoiles liées. On peut comprendre que de tels systèmes deviennent instables à plus ou moins long terme. Au bout d'un certain temps d'évolution commune, ces systèmes ont tendance à se simplifier, c'est à dire à se séparer. Je fais ici allusion au fait que certaines étoiles dont les orbites se déséquilibrent peu à peu finissent par être expulsées du système dont elles font partie.

     Les américains utilisent un terme précis pour ces astres : ils parlent de « runaway stars », ce qui veut à peu près dire étoiles qui s'échappent ou qui s'évadent (en français, ces objets sont appelés : 'étoiles errantes ou erratiques"). En raison des puissantes forces à l'œuvre en la matière, ces étoiles sont expulsées à grande vitesse et c'est précisément cette caractéristique qui permet de les repérer. Il peut s'agir de la perturbation de l'orbite de l'intéressée par un troisième corps excitateur ou d'un choc entre une étoile à neutrons et sa compagne qui les projette à grande vitesse loin l'une de l'autre. Quoi qu'il en soit, la mise en évidence de la vitesse excessive d'une étoile (plus de 50 km par seconde) signe ce qui est probablement la conséquence d'un de ces cataclysmes.

 
beauté des étoiles doubles

 
     Le fait que coexistent dans le ciel d'une planète plusieurs étoiles de couleurs différentes doit être à la fois superbe et considérablement dérangeant pour des êtres comme nous que la théorie de l'évolution a sélectionné pour une lumière bien précise, celle du Soleil. Je me demande quand même ce que peut être la résultante lumineuse de l'exposition à un soleil rouge agrémenté dans le lointain d'une géante bleue ou bien d'une étoile orangée dont les compagnons seraient vert pour l'un et blanc pour l'autre...

     Simple rêveries évidemment puisque, outre le fait que nous ne savons pas quitter notre propre système solaire, il est peu probable que de tels mondes nous permettent jamais d'y survivre dans des conditions acceptables. A moins que des machines bardées d'équipements spéciaux ?

Glossaire

 
     * exoplanète : planète extérieure au système solaire et tournant en conséquence autour d'une autre étoile que le Soleil. Soupçonnées depuis longtemps (Giordano Bruno est mort sur le bûcher pour l'avoir affirmé trop tôt), elles n'ont été mises en évidence avec certitude que vers la toute fin du 20ème siècle. En novembre 2014, plus de 1700 d'entre elles ont été observées et répertoriées.

 
     * HD 188753 A désigne évidemment l'étoile puisque, le nombre de celles-ci étant infini, il paraît illusoire de vouloir les baptiser toutes d'un nom propre, théoriquement réservé aux plus importantes et/ou anciennement découvertes d'entre elles. Les planètes gravitant autour d'une étoile sont donc affublées de la même appellation chiffrée, agrémenté d'une lettre (ici « b ») selon leur place dans le système stellaire concerné. Il est à noter que les catalogues répertoriant les corps célestes sont très nombreux (plus de 5000 si on incorpore les catalogues dits « historiques »). En réalité, seuls quelques uns comme ceux de Messier, du télescope Hubble, etc. sont utilisés pour les objets généraux tandis que d'autres, plus spécialisés, regroupent par exemple les pulsars ou les étoiles binaires. L'appellation du corps céleste commence donc par un groupe de lettres qui donne le nom du catalogue retenu (M pour Messier, GSC pour Hubble, etc.). Ici, HD débutant l'appellation de l'exoplanète citée signifie Henri Draper Catalogue, une classification très en vogue, notamment aux États-Unis.

Images

1. étoiles doubles (vue d'artiste) (sources : www.futura-sciences.com)

2. étoile binaire (sources : fr.images.search.yahoo.com)

3. vue d'artiste d'un pulsar dans un système binaire (www.cenbg.in2p3.fr)

4. coucher de soleils sur une planète appartenant à un système d'étoiles doubles (vue d'artiste) (sources : www.techno-science.net)

(Pour lire les légendes des illustrations, passer le pointeur de la souris dessus)

Mots-clés : revue Science & Vie - planète tellurique - étoiles binaires - naine rouge - magnitude - céphéides - binaires à éclipse - Algol - Antarès - Sirius - nova - naine blanche - binaire X - étoiles à neutrons - trou noir - runaway stars 

 (les mots en blanc renvoient à des sites d'informations complémentaires)

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Mise à jour : 19 février 2023

     Depuis qu'ils ont une conscience, la question fondamentale que se posent les hommes est toujours la même : d'où venons-nous ? On peut la formuler autrement : comment s'est créé l'univers dans lequel nous vivons ? Oui, comment ? Au delà des conceptions religieuses qui durant des siècles, selon les pays et les hommes, ont prévalu, c'est à l'astronomie moderne que l'on doit un début d'explication et ce n'est pas si vieux...

 
     En fait, tout part d'Einstein et de sa théorie de la relativité générale (voir sujet théorie de la relativité générale), théorie qui permet de donner une description à grande échelle de l'Univers et sert accessoirement de point de départ à la cosmologie moderne (voir glossaire). Arguant de sa toute nouvelle théorie, Einstein fut en effet le premier à tenter une explication de l'espace en introduisant une hypothèse aujourd'hui bien acceptée : l'Univers est homogène, c'est à dire que son observation ne dépend pas de la position de son observateur ou, en d'autres termes, que l'Homme n'y occupe aucune situation particulière. Quel que soit l'endroit où l'on se trouve, on n'est jamais au centre de l'Univers, tout simplement parce qu'il n'y a pas de centre : l'Univers est partout homogène, à savoir toujours égal à lui-même où que l'on soit. C'est ce que l'on appelle aujourd'hui le principe cosmologique.

     C'était pourtant une hypothèse hardie pour son époque (1917) si l'on se rappelle qu'aucun objet n'avait été décrit en dehors de la Voie lactée. En revanche, Einstein voyait cet Univers comme statique ce qui, par la suite, s'est révélé faux. D'ailleurs, dès cette époque, d'autres scientifiques comme le néerlandais Willem de Sitter (1872-1934), le russe Alexander Friedmann (1888-1925), l'americano-russe George Gamow ou l'abbé belge Georges Lemaître (1894-1966), concluaient, à partir des mêmes équations, à un Univers en expansion. Ce sont les observations de Edwin Hubble, dans les années vingt, qui donneront raison à ces derniers. Il mit effectivement en évidence des galaxies extérieures à la Voie lactée (voir sujet céphéides) et surtout, que ces galaxies s'éloignent les unes des autres. Si l'Univers est en expansion, il se refroidit et, par voie de conséquence, on peut donc avancer qu'il était plus chaud à l'origine : il y a donc bien eu un point de départ, le Big Bang.

 

 le Big Bang

 
     Si l'Univers est en expansion, on peut en réalité avancer deux grandes explications :

 
          * il y a conservation de la matière qui, petit à petit, se dilue au fur et à mesure de cette expansion : on en revient à un point d'origine, le Big Bang ;

 
          * la matière se crée et se détruit sans cesse dans la même proportion et on se trouve dans un univers stationnaire qui, selon cette conception, est ici éternel et toujours le même.

 
     C'est cette deuxième hypothèse qui aura au début le plus d'adeptes parmi lesquels, le britannique Fred Hoyle (1915-2001), connu notamment pour avoir créé le terme de Big Bang afin de se moquer de la théorie rivale de la sienne. Il faut dire que jusque dans les années 40, le taux d'expansion de l'univers était notoirement surévalué (et donc son âge sous-évalué) et on en arrivait au paradoxe que les études géologiques de notre planète la décrivaient comme plus ancienne que l'Univers lui-même... Il faudra attendre qu'une évaluation plus précise de l'âge de l'Univers remette en selle le Big Bang...

 
     Quoi qu'il en soit, les deux théories s'opposaient sans que l'une d'entre elles prenne le pas sur l'autre de manière définitive et c'est à cet instant que le hasard entra en jeu.

la découverte de Penzias et Wilson

 
     Nous sommes alors en 1964. Deux radioastronomes, Arno Penzias et Robert Wilson, travaillent pour la compagnie américaine de téléphonie Bell. Ils viennent d'entrer en possession d'une antenne ayant servi à la communication avec des satellites artificiels et, comme ils cherchent à mesurer le rayonnement radio de la Voie lactée, ils décident de transformer l'antenne en radiotélescope. Désirant la calibrer, ils cherchent à mesurer les bruits de fond respectifs de la Voie lactée et de l'atmosphère terrestre. Ils découvrent ainsi un autre bruit de fond, jusqu'alors inconnu, qu'ils attribuent à un artefact de leur installation.

     Durant plusieurs semaines, ils vont tout faire pour éliminer ce bruit, allant même jusqu'à chasser les pigeons des alentours dont les déjections, pensent-ils, sont susceptibles de provoquer le bruit parasite. Rien n'y fait. Le bruit intempestif se situe dans la longueur d'onde 7,35 cm et, traduit en chaleur d'antenne, correspond à une température du ciel de 2,7 K ; il ne varie pas en fonction du temps ou des saisons et est constant quelle que soit la direction observée. Perplexité des deux chercheurs... Les deux hommes ne sont pas trop au courant des travaux menés par ailleurs en cosmologie (dont les données théoriques sur le Big Bang prédisent la réalité d'un tel signal) et c'est par hasard qu'ils confient leur problème à des collègues astronomes. On se rend vite à l'évidence : les deux chercheurs de chez Bell ont découvert les traces radio du fond diffus cosmologique, une découverte qui leur vaudra quelques années plus tard, en 1978, le prix Nobel de physique.

 

le fond diffus cosmologique

 
     C'est le rayonnement électromagnétique le plus ancien de l'Univers. On a déjà dit que l'Univers est en expansion et, si l'on s'en réfère à la théorie du Big Bang, qu'il a été beaucoup plus chaud par le passé. Si chaud même qu'il fut une époque où la propagation de la lumière a été beaucoup plus difficile et que les rayons lumineux, au lieu de se propager comme de nos jours, ont été difractés par la matière dense du début, un peu à la manière des phares d'une voiture par temps de brouillard. Le temps passant et l'expansion de l'Univers progressant, cette matière s'est faite proportionnellement plus ténue ouvrant un passage sans obstacle aux photons lumineux : l'Univers est devenu transparent. On sait aujourd'hui que la transparence de l'Univers est apparue environ 380 000 ans après le Big Bang. L'onde électromagnétique découverte par Penzias et Wilson et qui correspond au rayonnement d'un corps noir (voir glossaire) à 3 degrés Kelvin (comme le prévoyait la théorie) est donc le reliquat – ou l'image – du temps où l'Univers était encore opaque et cette observation indiscutable est une preuve considérable en faveur de la réalité du Big Bang par opposition à la théorie de l'Univers stationnaire.

 

 la théorie du Big Bang s'impose

 
     La découverte du fond diffus cosmologique fut le premier et peut-être le plus célèbre des arguments en faveur de la théorie du Big Bang et de l'expansion de l'Univers.

 
     L'expansion de l'Univers, rappelons-le, est la conséquence directe de la théorie de la relativité générale d'Einstein : celle-ci explique en effet que tous les composants de l'Univers sont soumis à des forces dépendant des différentes formes de la matière. Depuis le Big Bang et jusqu'à aujourd'hui, notre Univers s'est dilaté dans toutes les directions (en créant un espace à la manière d'une éponge qui se dilate mais en dehors de laquelle rien n'existe) et, connaissant les propriétés physiques de toutes ces formes de matière, il est possible de décrire les caractéristiques de cette expansion. Non seulement nous sommes capables de connaître le taux d'expansion actuel de l'Univers (c'est la constante de Hubble, voir sujet céphéides) mais aussi son expansion du passé. Par ailleurs, on comprend facilement – et pour schématiser – que cette expansion est la résultante du mouvement d'étirement du début moins les forces de gravitation qui attirent les objets (galaxies, étoiles, etc.) les uns vers les autres.

     On aurait donc pu s'attendre à un ralentissement de cette expansion ou, au moins, à sa stabilisation. C'est tout le contraire qui s'est produit puisque, en 1998, les astronomes sont arrivés à la conclusion que l'expansion s'accélère ! (voir le sujet : l'expansion de l'Univers). Ce fut une véritable surprise puisqu'il fallait admettre l'existence d'une forme d'énergie, appelée depuis énergie sombre (voir sujet matière noire et énergie sombre) qui s'oppose à la gravitation... Quelle est la nature de cette énergie sombre ? Nul ne le sait. De même que l'on ne comprend pas pourquoi la matière visible qui compose l'Univers ne représente que le cinquième d'une « matière noire » dont les caractéristiques sont inconnues (on a calculé sa masse à partir des mouvements des galaxies) et déjà prédite en 1932 par Einstein et de Sitter. Energie sombre, matière noire, que de questions sans réponses mais n'est-ce pas cela qui fait tout l'intérêt de la science en général et de l'astronomie en particulier ?

 Glossaire (in Wikipedia France)

 
     * cosmologie : la cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système physique.

 
     * corps noir : en physique, un corps noir désigne un objet idéal dont le spectre électromagnétique ne dépend que de sa température. En pratique, un tel objet matériel n'existe pas, mais il représente un cas idéalisé servant de référence pour les physiciens. Contrairement à ce que son nom suggère, un corps noir n'apparaît pas forcément noir. En effet l'adjectif «noir» signifie ici que l'objet lui-même absorbe toute la lumière extérieure qui tomberait sur lui, et ne reflète aucune radiation non plus. La seule radiation provenant du corps noir est la radiation thermique, ne dépendant que de la température du corps. Concernant le fond diffus cosmologique, celui-ci, selon la théorie du Big Bang, se devait d'avoir les caractéristiques d'un corps noir, ce qui fut effectivement démontré.

     nota : comme cela est précisé dans le sujet "la couleur des étoiles", une étoile peut être assimilée à un corps noir : c'est même la raison pour laquelle il est possible de connaître sa température de surface.

Brêve : le satellite Planck confirme et précise ce que l'on sait du fond diffus cosmologique (mars 2013)

    Après avoir cartographié le ciel dans toutes les directions entre l'été 2009 et janvier 2012, le satellite européen Planck a permis la publication d'une photographie époustouflante du fonds diffus cosmologique, complétant celle de 2003 de la NASA. Plus encore, le satellite Planck a permis d'affiner nos connaissances des premiers instants de l'Univers en recalculant tous les paramètres cosmologiques. On peut donc aujourd'hui affirmer que 1. l'Univers est âgé de 13,82 milliards d'années, que 2. il est composé de 4,9% de poussières, gaz et galaxies, de 26,8 % de matière noire et de 68,3 % d'énergie sombre. Planck nous confirme également que l'Univers est bien en expansion mais en précisant qu'il s'étend à la vitesse de 67 km par seconde...

      Au delà de ces chiffres qui, déjà en eux-mêmes, sont un exploit, le satellite Planck nous conforte dans l'idée que le modèle cosmogonique standard de l'Univers est bien celui auquel il faut se référer (confirmation du Big bang, de l'inflation, etc.)..

     Et dire que la plus grande partie du décryptage de cette moisson de nouvelles données est à peine ébauché !

     On trouvera l'image rapportée par le satellite Planck à l'adresse suivante : www.cieletespace.fr/node/10241
 

 
Images

1. fond diffus cosmologique photographié par le satellite WMAP, de la NASA, en 2003 (sources : wikipedia.fr)
          Nota : c'était l'image la plus précise du fond diffus cosmologique avant celle publiée en mars 2013 par l'équipe du télescope spatial européen Planck voir la brêve ci-dessus). Elle a été prise par le satellite MAP (microwave anisotropy probe) et a confirmé l'âge de l'Univers : 13,7 milliards d'années (à 100 millions d'années près). Outre le fait que MAP a permis de déterminer la naissance des premières étoiles (les étoiles primordiales) à seulement 200 000 ans après le Big Bang (ce qui est une surprise), les astronomes ont également pu calculer grâce à lui la répartition de la matière dans l'Univers : 4 % de matière ordinaire, 23 % de matière sombre, le reste (presque les trois-quarts !) est probablement l'énergie noire expliquant (?) l'accélération de l'expansion de l'Univers...

2. Robert Wilson (à gauche) et Arno Penzias (à droite)

(sources : pierresiffre.spaces.live.com/)

3. l'expansion de l'univers depuis le big bang (sources : www.thetriplehelix.org/)