Lorsqu’on pense aux débuts de notre planète, on imagine facilement une sorte de boule de feu où s’entrechoquent volcans éruptifs et mers de lave en fusion, le tout constellé de continuelles chutes de météorites venant rajouter de la confusion et des flammes. Ensuite, des millions d’années s’étant écoulés, on pense à un radoucissement progressif : la Terre se refroidit lentement pour aboutir à un climat à peu près tempéré qui permettra l’apparition de la Vie. Tout au plus, avance-t-on que, de temps à autre, se sont certainement produites des « oscillations » climatiques ayant conduit ici à une glaciation, là à un réchauffement des températures avec, chaque fois, la nécessaire adaptation du vivant.

   Il est rare toutefois que l’on imagine un autre processus extrême, aussi violent que la fournaise des débuts mais en sens inverse, c’est-à-dire aboutissant à une planète entièrement recouverte d’une épaisse couche de plusieurs km de glace et où la Vie telle qu’on la connait n’a aucune chance de se développer. Pourtant, cette époque glaciaire absolue a bel et bien existé, il y a longtemps, certes, et c’est cette période que l’on a appelé « Terre, boule de neige » (et que l’on aurait d’ailleurs plutôt dû appeler « Terre, boule de glace »), une période qui faillit faire de notre planète un désert.

Une hypothèse plutôt récente

​

   Douglas Mawson (1882-1958) était un Australien qui s’était spécialisé dans

l’exploration de l’Antarctique mais c’est dans le sud de son pays qu’il isola et identifia des étendues de sédiments glaciaires ce qui naturellement lui fit penser que, dans le passé, la Terre avait pu être recouverte d’une couche de glace généralisée. En réalité, la théorie de la tectonique des plaques (ou dérive des continents) n’avait pas encore été énoncée par Wegener et c’était pourtant là une explication bien plus simple : il n’en reste pas moins que ce fut la première fois qu’on envisagea une glaciation uniforme de notre planète…

   C’est bien plus tard, en 1964, qu’on reparla de cette approche de la Terre glacée lorsque le britannique W. B. Harland fit paraître un article dans lequel il expliquait avoir identifié au Groenland des moraines glaciaires (tillites) constituées alors que ce continent se trouvait à une latitude tropicale… Comment expliquer cette impossibilité apparente ?

   Le soviétique Mikhaïl Boudyko, à peu près au même moment, présenta une théorie de glaciation totale de la Terre en expliquant que, une fois une certaine latitude atteinte par les glaces, il s’ensuit un point de non-retour car l’effet réfléchissant de la neige et de la glace (l’albédo) entraîne un cercle vicieux, le refroidissement produisant toujours plus de froid. C’est même la raison pour laquelle Budiko abandonna sa théorie en concluant à peu près de cette façon : « Puisqu’il n’y a aucun moyen de sortir de cette glaciation générale et que nous sommes ici aujourd’hui pour en parler, c’est qu’elle n’a pas eu lieu  ! ».

  En 1992, l’américain Joseph Kirschvink, professeur de géobiologie en Californie

(au CIT) prononça pour la première fois l’expression « Terre boule de neige » en avançant non seulement qu’un état glaciaire général est possible mais qu’il peut être secondairement aboli par la présence de gaz à effet de serre, par exemple d’origine volcanique. C’était la solution qui manquait à Boudyko.

   Quelques années plus tard, la théorie de la Terre boule de neige prit encore de l’ampleur par la publication de l’américain Paul Hoffman qui expliquait que des sédiments découverts par son équipe en Namibie ne pouvait s’expliquer aisément que par la théorie de Kirschvink  !

   Les scientifiques, toutefois, ne partagent pas tous cet avis et il en reste un certain nombre qui s’interrogent sur la réalité du phénomène…

Un peu de chronologie

  Résumons tout d’abord succinctement ces différentes glaciations pour mieux situer celle qui nous intéresse. Dans l’histoire de la Terre, il y a eu, selon les données actuelles, cinq grandes phases de glaciations :

1. la glaciation huronienne (vers -2,3 milliards d’années)

2. la glaciation néoprotérozoïque : celle qui nous intéresse car responsable de la Terre boule de neige (entre -1 milliard et -542 millions d’années) et ayant évolué en au moins trois temps successifs,

3. la glaciation de la fin de l’ordovicien (-444 millions d’années)

4. la glaciation du dévonien, à la fin de l’ère primaire (-360 millions d’années ) et

5. la glaciation cénozoïque dans laquelle nous sommes encore (bien que dans une période interglaciaire) et qui dure depuis une quinzaine de millions d’années .

   Revenons à la glaciation néoprotérozoïque qui nous intéresse aujourd’hui. Elle évolua en trois phases et l’une d’entre elles, la glaciation dite marinoenne, a été plus particulièrement étudiée car c’est très vraisemblablement à cette époque qu’eut lieu le phénomène de planète boule de neige. Selon Paul Hoffman déjà cité, cette phase glaciaire intense voire exceptionnelle explique la diversification des espèces qui a suivi (et que nous avons déjà évoquée dans d’autres sujets)…

La glaciation marinoenne

   Ayant duré de -650 à -635 millions d’années, cette glaciation doit son nom au fait que les preuves de sa réalité ont été primitivement trouvées dans la région de Marino qui est une ville de la banlieue sud d’Adélaïde, en Australie. Elle fut terrible au point que, de l’espace, la Terre devait apparaître comme totalement blanche. Seules quelques rares et modestes étendues d’eau devaient être libres à l’équateur où les températures devaient être voisines de celles de l’antarctique actuel. De plus, la vapeur d’eau atmosphérique se congelant, la couverture nuageuse devait être très faible avec des nuits particulièrement froides et des déperditions de chaleur maximales. Inutile de préciser que, à de telles températures et avec une telle surface glacée, la production biologique était voisine de zéro.

   La cause en est la tectonique des plaques et la fragmentation du supercontinent  de cette époque lointaine, le Rodinia. Il devait y avoir certainement des blocs en

position polaire (sans cela, une glaciation ne peut se produire) mais il fallut aussi, et cela peut sembler paradoxal, qu’il y ait eu d’autres continents en position équatoriale pour que s’amorce l’effet boule de neige : en effet, ce sont les océans tropicaux qui réfléchissent le mieux la lumière du soleil (et diminuent de fait la température ambiante) tandis que les terres en regard sont beaucoup plus arrosées d’où une érosion accrue des rivières et, fait important, une mise en surface des silicates qui, en se combinant avec le CO², amènent à terme à sa diminution or c’est un gaz à effet de serre majeur.

   On comprend évidemment que de tels phénomènes se déroulent sur d’immenses

durées de temps, les changements étant totalement imperceptibles à l’œil d’un éventuel observateur. Quoi qu’il en soit, on peut imaginer une progression des glaces depuis les pôles vers l’équateur. Or, comme l’avait parfaitement supposé le soviétique Budiko, il existe un point de non-retour, à savoir le franchissement du 35ème parallèle : au-delà l’albédo (l’effet réfléchissant de la lumière solaire) est si intense que le froid, en quelque sorte, s’auto-entretient et que la glace finit par couvrir l’intégralité du globe. À cette époque, notre planète était devenue une immense patinoire et cette glace toujours plus épaisse était un obstacle majeur au développement de la Vie. Toutes proportions gardées, la Terre devait ressembler à Ganymède, le satellite de Jupiter, qui, fort de sa masse de deux fois celle de la Lune, abrite un immense océan d’eau glacé sous une épaisse couche de glace : la Terre, heureusement, est quant à elle bien plus près du Soleil ce qui sous-entend que si un réchauffement survient, il peut être durable.

   A-t-on des preuves que cette situation cataclysmique a eu lieu ?  Eh bien oui : c’est la mise en évidence de « carbonates de recouvrement » qui permit à Hoffman

d’asseoir son hypothèse. De quoi s’agit-il ? Les dépôts glaciaires découverts (notamment en Namibie) possèdent une signature magnétique prouvant que leur origine est plus proche de l’équateur que des pôles ; toutefois, ils sont ici « recouverts » par des carbonates qui sont des sédiments marins. Voilà donc des glaciers qui se sont formés au niveau de la mer mais comment peuvent-ils bien s’être créés et recouverts de carbonates près de l’équateur ? Une seule explication possible : à cette époque l’équateur était couvert de glace…

   Comment peut-on sortir de cette situation si celle-ci s’auto-entretient ? Pour combattre ce froid intense, il est nécessaire que l’albédo diminue avec la fonte des glaces et seul un effet de serre peut expliquer un tel phénomène. Oui, mais provoqué par quoi ? On se rappelle que ce sont les océans qui normalement stockent le CO² mais, dans le cas qui nous occupe, cela est impossible puisqu’il n’existe que de la glace. De ce fait, le CO² émis par les éruptions volcaniques va pouvoir s’accumuler dans l’atmosphère où va se créer peu à peu un effet de serre. Au fil de plusieurs millions d’années - et de la plus ou moins grande activité volcanique - le processus de refroidissement va s’inverser et la Terre progressivement sortir de sa gangue gelée.

Quelle signification pour la Vie ?

   Et la Vie dans tout ça, comment a-t-elle pu se maintenir ? Car,

bien que l’époque soit très lointaine, la Vie existait déjà, et depuis longtemps. Il ne s’agissait toutefois que d’une vie très rudimentaire, essentiellement des micro-organismes telles les cyanobactéries (algues bleu-vert) capables de photosynthèse et donc de production d’oxygène. Bien sûr, la Vie restait possible pour les organismes anaérobies demandant peu d’oxygène et en l’absence de

toute photosynthèse : on pense aux cheminées hydrothermales (ou fumeurs noirs) au fond des océans. Toutefois, il restait certainement aussi quelques rares régions océaniques libres de glace où de petites colonies d’organismes photosynthétiques ont pu fabriquer des traces d’oxygène assimilables par quelques colonies d’organismes aérobies. Ailleurs pouvaient exister des points chauds (comme en Islande actuelle) ou des poches d’eau liquide sous les calottes glaciaires comme le lac Vostok en Antarctique.

   Une chose est certaine : durant cette période de froid, la Vie ne semble pas avoir connu de changements majeurs. C’est seulement ensuite, lorsque le phénomène aura disparu, que se produira une incroyable diversification de la Vie conduisant à la flore d’Édiacara et à celle du Cambrien (voir le sujet : l’explosion cambrienne).

Les glaciations et la Vie

   Comme on vient de le faire remarquer, la fin d’une glaciation correspond souvent à l’apparition de nouvelles formes de vie, comme si la disparition progressive des glaces ouvrait un certain nombre de niches écologiques qu’il conviendrait de coloniser. Ainsi, à la fin de la glaciation marinoenne et la probable Terre boule de neige, on voit apparaître les éponges. Un peu plus tard (une façon de parler car on évoque un intervalle de 60 millions d’années), vers -575 millions d’années survient une autre poussée glaciaire moins intense dite de Gaskiers qui voit peu après l’extraordinaire foisonnement de vie de la flore d’Édiacara déjà évoquée.

   Faut-il y voir une relation de cause à effet ? Eh bien, non pour certains scientifiques qui estiment qu’il ne s’agit là que de coïncidences temporelles. D’autres pensent que les glaciations notamment la néoprotérozoïque par son épisode marinoéen, la dernière à avoir pu provoquer une Terre boule de neige, a peut-être permis une progression de la Vie. On peut, en effet, penser que lors de sa disparition les océans sont remontés, multipliant la surface des plateaux continentaux et, au fil des millions d’années, l’augmentation du taux d’oxygène si important pour l’apparition de la diversité.

   En somme, après avoir été l’obstacle principal au développement de la Vie (au point de l’avoir empêchée durant des millions d’années jusqu’à la faire presque succomber), la Terre boule de neige aura peut-être été, par sa disparition, un des meilleurs éléments de la dissémination du vivant, de sa radiation à travers le globe.

Sources

1. fr.wikipedia.org

2. www.astronoo.com/fr/articles/vie-sous-la-glace.html

3. Encyclopaedia Universalis

4. les dossiers de la Recherche, n°39, mai 2010

5. http://www.futura-sciences.com

Images

1. la Terre boule de neige (sources : www.quizz.biz)

2. Alfred Wegener (sources : fr.wikipedia.org/)

3. Joseph Kirschvinck (sources : web.gps.caltech.edu/)

4. le continent Rodinia qui prévalait à l'époque néoprotérozoïque, notamment marinoenne (sources : burkemuseum.org)

5. l'albédo (sources : oceanbites.org)

6. glaciers (sources : electrictreehouse.com)

7. algues bleues (sources : lemonde.fr)

8. fumeurs noirs (sources : www.vetofish.com/)

9. faune d'Édiacara (sources : astrobio.net)

(pour lire les légendes des illustrations, passer le curseur de la souris dessus)

Mots-clés : glaciation - W. B. Harland (en anglais) - Mikhaïl Boudyko - albedo - tectonique des plaques - gaz à effet de serre - cyanobactéries - photosynthèse - faune d'Ediacara - explosion cambrienne

(les mots en gris renvoient à des sites d'information complémentaires)

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1. les extinctions de masse

2. la dérive des continents ou tectonique des plaques

3. spéciations et évolution des espèces

4. la grande extinction du Permien

5. l'explosion cambrienne

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mise à jour : 16 mars 2023

     Il peut sembler étrange de vouloir mélanger des durées et des distances qui, dans notre monde fini, relèvent de deux concepts différents mais ce n’est pas le cas en astronomie. En effet, la vitesse de la lumière (environ 300 000 km par seconde), une constante indépassable, est limitée : dès lors, si l’on regarde en direction du ciel, les objets observés sont à la fois lointains et situés dans le passé (à l’exception relative de notre environnement proche mais nous y reviendrons). Très vite, ces distances et ces durées relèvent de chiffres qu’il est bien difficile pour notre cerveau habitué à notre planète (un monde fini et minuscule) d’appréhender véritablement : que peut bien signifier 100 millions d’années-lumière (al) d’éloignement ou un milliard d’années dans le passé ? C’est la raison pour laquelle, afin de relativiser ces nombres pharamineux, l’esprit humain a souvent cherché des comparaisons qui lui « parlent » mieux : nous en verrons quelques unes.

 
Les âges géologiques

 
     Aux dernières estimations actuellement en vigueur, notre Univers est âgé de 13,6 milliards d’années tandis que notre Soleil et son cortège de planètes (dont notre Terre) se sont créés il y a 4,5 milliards d’années. Intéressons-nous dans un premier temps à l’histoire de notre bonne vieille Terre. Grâce aux diverses méthodes de datation des roches, nous pouvons subdiviser son âge en différentes périodes : pour plus de commodité, appelons temps 0 la création de notre planète à partir du nuage protosolaire et + 4.5 milliards d’années aujourd’hui (Evidemment, pour être plus proche de la réalité, les scientifiques comptent, eux, en temps négatifs). Nous trouvons alors :

  
   • le précambrien qui s’étend de 0 à + 3,96 milliards d’années,

  
   • l’ère primaire (ou paléozoïque) de + 3.96 à + 4,255 milliards d’années, cette ère étant elle-même subdivisée en plusieurs périodes allant du cambrien au permien,

  
   • l’ère secondaire (ou mésozoïque) de + 4,255 à + 4,435 milliards d’années et comprenant trois périodes, le trias, le jurassique et le crétacé,

  
   • l’ère tertiaire (à présent regroupée avec le quaternaire dans une ère unique appelée cénozoïque) allant de + 4, 435 à + 4,498 milliards d’années

 
   • Et l’ère quaternaire (cénozoïque également) allant de + 4,498 milliards d’années à aujourd’hui.

 
     Dit de cette manière, c’est vrai, ce n’est guère parlant. On peut donc proposer une autre lecture, plus facile à comprendre : essayons de rapporter l’histoire de la Terre à une seule année et voyons ce que donnerait la précédente description. Dans notre nouveau modèle, la création de la Terre se situerait autour du premier janvier de cette année fictive et :

 
   • Le précambrien s’étendrait alors jusqu’à la mi-septembre (il s’agit, bien sûr, d’approximations). C’est durant cette ère que sont apparues les premières créatures pluricellulaires vivantes, à savoir des invertébrés (dont les corps mous nous ont laissé peu de traces) et, selon notre nouvelle approche, cela se situait aux environs de la fin du mois d’août-début du mois de septembre…

 
   • Vient ensuite l’ère primaire, de la mi-septembre à la mi-novembre : c’est à la fin du permien (mi-novembre) qu’a eu lieu la grande extinction qui détruisit 95% des espèces marines alors vivantes et « seulement » 70% des espèces terrestres (voir le sujet les extinctions de masse et la grande extinction du Permien)…

 
   • L’ère secondaire, de la mi-novembre aux derniers jours de décembre voit la domination des grands sauriens qui disparaissent à la fin du crétacé, c'est-à-dire quelque part aux environs du 20 décembre ;

 
   • Le cénozoïque occupe la fin de l’année : les premiers hominidés (Toumaï) sont datés d’il y a 7 millions d’années ce qui les situe d’après notre modèle vers les tout derniers jours de décembre. Et l’Homme « moderne » dans tout cela ? Eh bien, son apparition et son extension fulgurante comme actuel animal dominant de la planète trouvent place le 31 décembre, une heure peut-être avant la nouvelle année…

 
     Une autre métaphore pour comprendre ces abîmes du temps est de comparer la vie sur Terre à la hauteur de la tour Eiffel : en pareil cas, la présence de l’Homme ne représenterait (en taille) que l’épaisseur de la couche de peinture située sur un des parapets du troisième étage du monument…

 
     Ces façons différentes (mais peu scientifiques, je le reconnais) de dater les événements sont certainement plus parlantes : elles ont, en tout cas, le mérite de nous montrer de manière frappante combien nous sommes les héritiers d’une longue, très longue histoire qui nous a vu précédés par des millions de générations d’animaux qui ont vécu, souffert, se sont reproduits pour, le plus souvent en fin de compte, disparaître sans laisser de traces. Cette pensée devrait nous rendre modestes…

Les distances astronomiques

 
     Nous venons d’évoquer les durées de temps écoulées depuis l’apparition de la Terre : elles sont, comme on l’a vu, colossales. Pourtant, l’Univers est approximativement plus de trois fois plus vieux que notre système solaire ! Or, chose remarquable, quand on observe les objets du ciel, on voit le passé : observée, par exemple, par le télescope spatial Hubble, une galaxie qui serait située à, disons, 8 milliards d’années-lumière, se présente à nos yeux comme elle était il y a 8 milliards d’années, c’est-à dire avant la création de notre Soleil… Comment se présente-t-elle réellement aujourd’hui ? Comment se fait-il que sa lumière ait mis si longtemps à nous parvenir ?

 
     C’est que l’univers est gigantesque, s’étendant sur des distances que le cerveau humain a du mal à se représenter. Très tôt dans l’histoire moderne de l’humanité, il a fallu se rendre à l’évidence : les distances calculées en millions voire en milliards de km ne représentent rien à l’échelle de l’univers. Le seul moyen pour déterminer les distances auxquelles se situent les objets astronomiques est de se référer à une autre dimension d’échelle et c’est la raison pour laquelle les scientifiques ont choisi la lumière. Si cette dernière nous paraît se transmettre de façon instantanée dans notre quotidien, il n’en est bien sûr pas de même entre les étoiles – et plus encore les galaxies – qui sont séparées par des distances à nos yeux pharamineuses. C’est ainsi que, même à sa vitesse pourtant conséquente de 300 000 km chaque seconde (en fait, plus précisément 299 792,458 km/s), il lui faut plus de quatre ans pour nous parvenir de notre voisine stellaire la plus proche, justement appelée Proxima du Centaure… Voyons cela de plus près (si j’ose dire).

 
          La proche banlieue

     Il s’agit évidemment de notre système solaire. La Terre, seulement la troisième planète du système, tourne autour du Soleil à une distance d’environ 150 millions de km ce qui, en vitesse lumière, représente approximativement 8 minutes. En d’autres termes, si le Soleil venait brusquement à s’éteindre, sa lumière nous éclairerait durant encore huit minutes… Cette distance de 8 minutes-lumière est d’ailleurs appelée unité astronomique (ou UA) et elle permet de situer de façon plus aisée les différents éloignements de nos compagnes planétaires du système.

 
     La plus grande des planètes de notre système, Jupiter, cinquième par le rang, est quant à elle située à 778 000 000 de km ou 5,2 UA. C’est déjà beaucoup plus loin puisque cela représente un peu plus de 40 minutes-lumière ! La dernière véritable planète du système, Neptune (puisque Pluton a été récemment rétrogradée en planète naine) se trouve à 30 UA, soit 4 heures-lumière. Toutefois, la zone considérée comme appartenant au système solaire ne s’arrête pas là : elle se situe à environ quatre fois la distance Soleil-Neptune, soit 120 UA environ. Il s’agit là d’un endroit aux limites finalement imprécises où le vent solaire (c'est-à-dire le flux plasmatique provenant de l’atmosphère solaire) entre en contact avec les vents provenant du milieu interstellaire.

 
     Ces chiffres peuvent paraître quelque peu abstraits. Prenons ici aussi une image nous permettant de mieux réaliser ce qu’ils représentent. Imaginons que nous posions sur le sol une orange sensée représenter le Soleil. La Terre serait alors une bille minuscule de la taille d’une tête d’épingle placée à 15 m de l’orange, Jupiter une bille de la taille d’une olive à 77 m et Neptune un petit pois à 450 m. La zone d’influence du Soleil s’étendrait quant à elle jusqu’à environ 1,5 à 2 km ! Et l’étoile la plus proche, Proxima du Centaure ? Eh bien, elle serait à environ… 4000 km.

 
          La Galaxie

     Les distances que nous venons de voir paraissent immenses ? Elles sont pourtant minuscules à l’échelle de notre galaxie, la Voie lactée. En effet, cette dernière (où le Soleil occupe une place relativement excentrée, voir le sujet place du Soleil dans la Galaxie) est un disque oblong d’un diamètre d’un peu moins de 100 000 al pour une épaisseur de 1 300 al et elle contient entre 200 et 400 milliards d’étoiles ! Chacune de ces étoiles est séparée par un grand vide cosmique (comme celui entourant le Soleil) à l’exception – peut-être – du halo central galactique où elles sont plus nombreuses et donc un peu plus proches les unes des autres. Une image ? Eh bien disons que si le système solaire est représenté par un grain de sable, la Galaxie est en proportion une petite plage…

 
     La Voie lactée appartient à ce que l’on appelle le « groupe local » qui est un ensemble d’une trentaine de galaxies dont les plus importantes sont notre galaxie et la galaxie d’Andromède M31. Ces galaxies sont suffisamment proches (tout est relatif, évidemment) pour subir leurs attractions réciproques. C’est ainsi que dans un avenir très lointain - 2 à 3 milliards d’années – la Voie lactée et Andromède finiront par fusionner en un super ensemble mais, comme on l’a déjà dit, les distances entre les étoiles sont si immenses qu’aucune d’entre elles ne devrait en heurter une autre.

 
          Au-delà

 
     Il existe des milliards d’amas de galaxies (un amas en contient approximativement une centaine) également organisés en superamas mais ces amas sont si distants les uns des autres que, contrairement à ce qui se passe pour le groupe local auquel nous appartenons, leurs forces d’attraction ne peuvent jouer : de ce fait, ces amas de galaxies s’éloignent les uns des autres à la vitesse de l’expansion de l’univers et cela dans toutes les directions (C’est ce qui avait tant intrigué les premiers découvreurs de galaxies - comme Edwin Hubble - qui voyaient bien que leurs spectres tiraient tous vers le rouge signifiant la fuite – le redshift des anglo-saxons – au contraire de celles du groupe local évidemment). Les distances entre les amas de galaxies sont si incroyables que je ne peux vous proposer de métaphores véritablement valides pour les exprimer…

 
          Au bout du bout de l’univers (connu)

 
     On trouve partout le fameux rayonnement fossile (voir le sujet fond diffus cosmologique) qui témoigne dans toutes les directions des premiers instants visibles qui ont succédé au Big Bang. Lorsqu'un de nos satellites enregistre des images de ce rayonnement, il regarde à 13,6 milliards d’années dans le passé, un chiffre qu’il me semble impossible de saisir et de vraiment comprendre autrement qu’intellectuellement…
 

 
     Dans ce bref exposé, j’espère vous avoir fait comprendre combien l’univers, notre univers, est immense et, par contre coup, combien notre planète et même le système solaire sont infimes. Par ailleurs, la vie des hommes est si brève que, comparée à l’ancienneté et à l’immensité de l'univers dans lequel ils se trouvent, ils ne représentent rien de plus que de simples bactéries par rapport à la taille et à l’âge de la Terre. Pourtant, les hommes, ces infimes créatures, ont su – au moins partiellement – décrypter leur environnement. Ce qui, en fin de compte, est loin d'être négligeable.

     Existe-t-il d’autres intelligences dans cette immensité ? Les calculs statistiques nous disent que oui (voir le sujet vie extraterrestre 2). Alors soit ! Mais, en réalité, le problème n’est pas là : s’ils existent – et si nous pouvons arriver à nous comprendre – comment faire pour passer outre aux limitations induites par ces distances vertigineuses, alors que l’on sait qu’une information ne pourra mettre moins de 4 ans pour atteindre Proxima du Centaure (qui, naine rouge, n’est certainement pas susceptible de voir se développer la Vie sur une de ses planètes, si elles existent) et autant pour en revenir ? Comment communiquer avec les étoiles plus lointaines tant est brève – à l’échelle de l’Univers – la durée d’une civilisation humaine ? J’avoue que j’aimerais bien le savoir.

Images :

1. le système solaire (sources : le-systeme-solaire.net)

2. les âges géologiques (sources : www.sepaq.com)

3. Jupiter (sources : www.science-et-vie.com)

4. voilà à quoi doit ressembler la Voie lactée vue de l'extérieur (sources : addlaseyne.free.fr)

5. amas de galaxies Abell 1689 (sources : www.futura-sciences.com)

6. fond diffus cosmologique photographié par le satellite WMAP, de la NASA, en 2003 (sources : wikipedia.fr)

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

Mots-clés : vitesse de la lumière - paléozoïque - mésozoïque - cénozoïque - Jupiter - Neptune - vent solaire - Voie lactée - galaxie d'Andromède M31 - amas de galaxies - superamas de galaxies - expansion de l'Univers - rayonnement fossile (fonds diffus cosmologique)

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

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6. la dérive des continents ou tectonique des plaques

7. origine du système solaire

8. les extinctions de masse

9. les sondes spatiales Voyager

10. l'expansion de l'Univers

11. la grande extinction du Permien

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 Mise à jour : 28 février 2023

Pour admirer les étoiles, la recette est simple : il faut choisir une belle nuit sans Lune et sans nuages et s’installer confortablement dans un coin sombre, à l’abri des lueurs dérangeantes de la civilisation. Durant cinq à six minutes environ on laisse alors ses yeux s’habituer peu à peu à l’obscurité. De cette noirceur où flottaient difficilement quelques étoiles émergent progressivement des millions de points lumineux comme autant de diamants scintillants… Des millions ? Non, seulement quelques milliers, même pour l’œil le mieux aguerri, mais l’impression de foisonnement de ces minuscules lumières est si impressionnante que l’on se sent incroyablement petit sur notre coin de Terre.

Beaucoup d’anciens pensaient d’ailleurs qu’une sphère de velours sombre entourait notre planète en un écrin constellé de pléiades de pierres précieuses auxquelles, par leur proximité apparente, ils appliquaient des géométries compliquées en rapport avec leurs croyances d’éternité. On sait aujourd’hui que ces figures, les constellations, ne sont que des constructions imaginaires uniquement reliées par leurs luminosités relatives… Mais le bestiaire cosmique ainsi inventé est si riche que, encore de nos jours, on y fait souvent référence.

Si, au moyen d’un outil amplificateur comme, par exemple, une paire de jumelles, on tente d’explorer un par un ces astres lointains, il nous apparaît subjectivement qu’ils ne sont pas tous identiques  et que leur éclat semble variable. Et, en fait, leurs aspects sont dissemblables car, c’est vrai, les étoiles nous parlent : elles chantent et leurs mots sont en couleur.

 Des interrogations anciennes

Deux siècles avant J.C. les savants grecs se posaient déjà des questions sur la répartition des astres dans le ciel. C’est à Hipparque (vers 190 av. J.C. - 120 av. J.C.) que revint le mérite de chercher à classer les étoiles en 6 grandeurs par ordre d’éclat décroissant (étoiles de première grandeur pour les plus brillantes jusqu’à la sixième grandeur pour les moins lumineuses). Toutefois, ce classement pouvait prêter à confusion puisque se rapportant à la taille de l’étoile. On abandonna donc cette approche pour parler de magnitude apparente, des magnitudes séparées par un écart de brillance d’un échelon de 2,5. En d’autres termes, une étoile de magnitude 2 est 2,5 fois plus brillante qu’une étoile de magnitude 3 ce qui revient à dire que plus la magnitude d’une étoile est élevée, moins elle est brillante.

Ce système de magnitude apparente est trompeur car il ne correspond pas à la luminosité véritable de l’astre étudié en raison de sa distance qui est variable par rapport à la Terre : un astre peu lumineux peut, en réalité, l’être beaucoup mais c’est son éloignement qui le rend difficile à discerner. On introduisit en conséquence la notion de magnitude absolue en imaginant l’éclat de l’étoile observée si, comparée à ses sœurs, elle se trouvait à la même distance de la Terre que toutes les autres. On décida de retenir le chiffre de 10 parsecs (32,61 années-lumière) comme étalon standard de distance.

C’était assurément un progrès mais on décida de compléter le calcul avec celui de la couleur des étoiles qui donne, comme on le verra, une indication sur la chaleur de leur surface. On obtint ainsi les caractéristiques spectrales de chaque groupe d’astres, une classification encore en usage aujourd’hui, classification codifiée au début du XXème siècle par deux astronomes américains de l’observatoire d’Harvard, Antonia Maury (1866-1952) et Annie Cannon (1863-1941). Ajoutons que, pour tenir compte des différences de luminosité et de taille, les astronomes décidèrent de classer les astres selon leur éclat dans chacun des groupes identifiés.

Aujourd’hui, on sait donc plutôt bien « classer » réellement les étoiles d’après leurs caractéristiques : taille, éloignement, éclat et couleur. Mais justement pourquoi nos amies les étoiles peuvent-elles être de couleurs différentes ?

La couleur des étoiles

De la même façon que les étoiles sont de taille variable, elles ne sont pas toutes de la même couleur et cette couleur dépend de leur température et de leur âge. Au premier abord, c’est vrai, elles semblent blanches mais, comme nous le remarquions précédemment, si l’on observe plus attentivement chacune d’entre elles, on retrouve des teintes très souvent différentes : bleu, blanc, rouge, orangé, blanc-vert parfois et, d’une façon plus générale, nombre de nuances intermédiaires. Longtemps, cette disparité est restée sans explication et ce n’est qu’au début du XXème siècle qu’on a pu mieux la comprendre en définissant la physique du corps noir. Qu’est-ce qu’un corps noir, me direz vous ? Il s’agit en fait d’un objet idéal qui absorbe toute l’énergie électromagnétique sans n’en rien retransmettre : puisque la lumière est une onde électromagnétique, elle sera donc totalement absorbée par un corps noir. Considérons à présent une étoile comme un corps noir (un corps noir – c’est parfois difficile à saisir – n’est pas forcément noir mais seulement un objet qui ne réfléchit rien) : les courbes lumineuses émises par l’étoile elle-même lui sont donc propres, intégralement créées par elle. Puisque que l’on a remarqué que le spectre des étoiles était très semblable aux courbes de radiations d’un corps noir porté à différentes températures, la conclusion s’impose d’elle-même : les variations de couleur des étoiles sont la conséquence directe de leur température de surface et uniquement de cette température.

Plus une étoile sera chaude, plus elle aura un spectre important dans le bleu. A l’inverse, une étoile plus froide émettra dans le rouge et sera perçue comme telle.

Revenons un instant sur ces questions basiques d’optique physique : le spectre « continu visible » s’étend de 400 nm à 800 nm (nm signifiant nanomètre soit le milliardième du mètre). Vers 400 nm, on observe une couleur bleue (en dessous, c’est l’ultraviolet, non visible par l’œil humain mais accessible à l’œil de l’abeille) tandis que vers 800 nm on est dans la couleur rouge (et, au-delà dans l’infrarouge non visible). L’étude du spectre stellaire donnera donc une longueur d’onde dominante associée à la couleur et caractérisant la température de l’étoile étudiée. Prenons quelques exemples :

* Bételgeuse (alpha orionis) est une supergéante rouge de magnitude 1, située dans la constellation d’Orion à environ 500 années-lumière de la Terre, et accessoirement la 9^ème plus brillante étoile du ciel. Mille fois plus grosse que le Soleil, elle rayonne comme 100 000 Soleils réunis. Bien que jeune, elle est en fin de vie et explosera dans quelques milliers d’années en supernova. Son cœur s’effondre lentement, provoquant une gigantesque expansion de son rayon et donc la baisse de sa température de surface ce qui explique sa couleur rouge.

* Rigel (beta orionis) est une supergéante bleue qui fait également partie de la constellation d’Orion et est située à plus de 900 années-lumière de la Terre (ce qui, au passage, démontre l’absurdité de la notion de constellation). Septième étoile la plus brillante du ciel, elle est bien plus petite que Bételgeuse (84 fois la taille du Soleil) ce qui explique sa chaleur de surface notoirement plus élevée et donc sa belle couleur bleue. Pour l’anecdote, remarquons que cette supergéante fait partie d’un système ternaire puisque deux autres étoiles, Rigel B et Rigel C, gravitent avec elle en un système compliqué. Elle aussi a une espérance de vie courte et explosera probablement en un trou noir.

* le Soleil : la dominante spectrale de notre Soleil se situe vers 500 nm et donc dans le vert. Toutefois, l’ensemble de son spectre lui confère une couleur blanche (tirant légèrement sur le vert) qu’on lui connait… en dehors de la Terre ! En effet, depuis notre planète, bien que sa lumière soit blanche, en raison de la plus grande diffusion du bleu (d'une longueur d'onde de 400 nm) dans l'atmosphère que du rouge (longueur d'onde 800 nm), il apparaîtra jaune (et le ciel bleu).

Les astronomes se sont donc retrouvés face à un véritable kaléidoscope de couleurs et, dès le XXème siècle, ils ont cherché à y mettre un peu d'ordre. Première méthode logique retenue : classer les étoiles selon les éléments chimiques identifiés à leurs surfaces. Ils ont ainsi répertorié sept groupes distincts qu'ils ont ensuite décliné en ordre décroissant de température et désigné par les lettres O, B, A, F, G, K et M. Difficile de s'en rappeler ? Les scientifiques américains ont proposé l'amusant petit moyen mnémotechnique suivant : " Oh Be A Fine Girl, Kiss Me ! "...

De ce fait, une étoile comme Lambda d'Orion, une géante bleue dont la température de surface atteint les 35 000°, est classée dans le groupe O tandis que le Soleil (naine jaune à la température de surface égale à 5 000°) est de classe G et les étoiles rouges comme Antarès (3 600°) sont rassemblées dans le groupe M.

Toutefois - rien n'est jamais simple - tout cela était encore un peu imprécis et, du coup, chaque groupe a été subdivisé en 9 sous-groupes de telle façon que le Soleil est en fait une étoile classée de type G2 (plus froide qu'une G1 mais plus chaude qu'une G3)... Comme on va le voir, cette classification, certes pratique, n'est pas la seule.

Le fait de connaître la couleur (et donc la chaleur) d’une étoile corrélée à sa taille permet de connaître sa durée de vie, le stade où elle se trouve et, bien sûr, la manière dont elle mourra.

La vie des étoiles

On peut également classer les étoiles selon les différents stades de leurs existences. Dans un sujet précédent (voir : mort d'une étoile), j’avais décrit les différents types d’étoiles et leur avenir : en voici les principales lignes (pour plus de détails, on se reportera au texte indiqué).

* les étoiles peuvent être (sommairement) classées de la façon suivante :

a. les naines rouges, soit environ 80% des étoiles : elles sont relativement petites (moins de 0,8 masse solaire) et d’une grande longévité ; si grande même que, depuis le Big bang elles n’ont pas encore eu le temps de mourir. Leur chaleur est faible ce qui explique leur couleur. A titre d’exemple, Proxima du Centaure, notre plus proche voisine, est l’une de ces naines rouges.

b. les naines jaunes (10% des étoiles) : plus chaudes que les précédentes, leur masse est comprise entre une et huit masses solaires et c’est typiquement le cas de notre Soleil. Leur espérance de vie est encore respectable, environ 10 milliards d’années. Lorsque tout leur carburant nucléaire sera épuisé, elles se transformeront en

c. géantes rouges : la dilatation considérable à ce stade des couches externes de l’étoile combinée à l’effondrement de son cœur explique la couleur rouge de l’enveloppe stellaire, plus froide car à distance du centre.  Le stade ultime de l’évolution de ce type d’étoile, lorsque que ne restera plus que son cœur nu (l’enveloppe s’étant dispersée dans l’espace) est celui d’une…

d. …naine blanche : de la taille d’une planète, cet astre est composé de manière dégénérée hyperdense, incapable d’entretenir la moindre réaction thermonucléaire. Il s’agit donc déjà d’un cadavre d’étoile qui va progressivement s’éteindre au fil de millions d’années pour devenir une

e. naine noire : ces restes d’étoiles sont probablement nombreux dans l’univers mais, par définition, ils ne sont pas visibles.

f. les supergéantes bleues sont des étoiles jeunes massives (plus de 10 masses solaires) et extraordinairement lumineuses. Compte tenu de leur taille, leur espérance de vie est courte ; elles finissent par épuiser rapidement leur carburant nucléaire pour devenir des

g. supergéantes rouges (toujours par le même mécanisme d’expansion qui refroidit leurs couches externes) et explosent en supernovas (voir le sujet novas et supernovas), voire même en trous noirs (voir le sujet trous noirs) pour les plus massives d’entre elles Elles ne représentent que quelques pourcents de l’ensemble.

On peut donc réunir ces différentes populations d’étoiles dans un diagramme spécifique (diagramme HR) bien qu’il soit parfois difficile de déterminer précisément les caractéristiques de chacune, ne serait-ce que parce que les observations sont rendues malaisées lorsqu’existent des systèmes multiples d’étoiles (environ 50% des cas).

* Le diagramme HR dit de Hertzsprung-Russel permet de corréler luminosité et chaleur des étoiles et donc de définir leurs différentes populations et établir ainsi l’évolution stellaire. On peut alors constater que la majorité des étoiles se situe sur une ligne du diagramme appelée séquence principale où ces astres passeront la plus grande partie de leur vie tandis que ne s’en échappent que les atypiques comme les supergéantes ou ceux qui sont en fin de vie.

Evolution stellaire

Les étoiles, comme toutes choses en ce bas monde, ont une évolution – on pourrait dire une vie – parfaitement prévisible. Leur aspect renseigne ceux qui se donnent la peine de les observer. Leurs mots sont en couleur, disais-je en préambule, et ces mots nous expliquent l’univers dans lequel nous vivons. Ils nous font notamment comprendre combien le Soleil, qui est une étoile bien banale mais si particulière pour nous, est important puisqu’il autorise la vie – notre vie - sur cette planète.

Images :

 1. l'amas ouvert NGC 3603 (sources : philippe.boeuf.pagesperso-orange.fr )

2. Hipparque (sources : www.dimensions-math.org)

3. Aldébaran et Sirius (sources : www.webastro.net) 

4. Bételgeuse et Rigel (sources : www.webastro.net) 

5. la Croix du Sud (sources : http://antwrp.gsfc.nasa.gov )

6. Beta Cephi, une binaire bleue (sources : http://a.gerard4.free.fr)

7. diagramme de Hertzsprung-Russell (sources : http://fr.wikipedia.org)

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

Brêve : la couleur des étoiles

     Dans l'hémisphère boréal, les nuits de juin sont les plus courtes. Le Soleil rasant l'horizon nord, le crépuscule s'étend dans la soirée, et les étoiles se font attendre...

     Les plus brillantes, Arcturus du Bouvier, l'Epi de la Vierge et Véga de la Lyre, apparaissent entre 22h30 et 23 heures. C'est entre chien et loup, lorsque le bleu du ciel s'assombrit, qu'il est le plus facile d'observer la couleur des étoiles. A l'oeil nu, Véga apparaît d'un blanc éclatant, Arcturus franchement orangée et l'Epi légérement bleuté. Si leur couleur diffère, c'est parce que leur surface de gaz n'est pas porté à la même température : de 4600°C pour Arcturus, la plus froide, donc la plus rouge, à 20000°C pour l'Epi.

(Science & Vie, n° 1125, juin 2011, p. 149)

Mots-clés : Hipparque - magnitude - corps noir - Bételgeuse - Rigel - naine rouge - naine jaune - géante rouge - naine blanche - naine noire - supernova - trou noir - supergéante rouge - supergéante bleue - digramme de Hertzsprung-Russell

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

Articles connexes sur le blog :

* mort d'une étoile

* la mort du système solaire

* céphéides

* novas et supernovas

* le mystère Bételgeuse

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 Mise à jour : 5 mars 2023

     Les grands télescopes d’observation de l’Univers existent depuis assez longtemps puisqu’ils ont commencé à apporter leurs lots de découvertes dès 1904 avec celui du Mont Wilson, aux USA : ce premier grand télescope permit notamment à l’astronome Edwin Hubble, dans les années 1920, de mettre en évidence le fait que des galaxies comme la Voie lactée existent en grand nombre et que l’Univers est en expansion. Vint ensuite, en 1949, celui du Mont Palomar, toujours aux USA, encore plus grand et encore plus précis (pour ce dernier, j’ai conservé en mémoire la photo du camion transportant, à travers le désert et vers le site prévu, le miroir principal, camion suivi par l’impressionnante file de voitures des scientifiques veillant jalousement sur leur futur joujou). Ces événements en définitive pas si lointains furent, certes, des avancées spectaculaires dans l’observation de nos cieux mais tous ces merveilleux outils avaient un défaut rédhibitoire : situés au sol, ils ne pouvaient s’affranchir des turbulences de l’air qui brouillent les images… On avait donc depuis longtemps envisagé de déplacer les observatoires au delà de l’atmosphère terrestre mais faire décoller une fusée, mettre en orbite et exploiter même un « petit » télescope resta longtemps du domaine du phantasme jusqu’à ce qu’en 1990…

L’idée

     Pouvoir observer l’Univers en s’affranchissant des contraintes terrestres remonte aux années 1920 (une idée avancée des 1923 par le physicien allemand Hermann Oberth) mais c’est en 1946 que l’astronome américain Lyman Spitzer en évoque fermement le concept. Ce scientifique met en avant deux arguments fondamentaux : d’abord, comme cela a déjà été signalé, la présence dans l’espace d’un télescope permettrait de s’affranchir des turbulences atmosphériques et d’obtenir en conséquence une précision d’observation bien supérieure et, d’autre part, cela permettrait également d’étudier dans les domaines de l’infrarouge et de l’ultraviolet ce qui est impossible au sol à cause de l’atmosphère qui intercepte la plus grande partie de ces rayonnements.  Manquaient à l’évidence les compétences techniques qui permettaient un financement acceptable… On se contenta donc de quelques caméras embarquées dans les premières fusées du début de l’ère spatiale.

     En 1970, la NASA crée un comité chargé de l’étude de faisabilité d’un projet de télescope spatial mais les fonds tardent à venir ou, s’ils existent, ils sont rapidement amputés. Au début des années 1980, le projet se dessine enfin : pour en limiter le coût, la taille du miroir du télescope est revue à la baisse (mais reste acceptable) et, surtout, l’agence spatiale européenne, l’ESA, est invitée à se joindre à l’opération en échange d’une participation de 15% dans le financement global. C’est la grande époque des navettes spatiales américaines et le projet de télescope s’appuie sur elles afin que, une fois mis en orbite, l’entretien et d’éventuelles réparations puissent être régulièrement pratiqués : tous les instruments embarqués dans le laboratoire spatial sont donc pensés pour être remplacés manuellement par des astronautes.

La mise en service

     Le télescope est lancé le 24 avril 1990 par l’intermédiaire de la navette spatiale Discovery.  C’est un véritable petit observatoire astronomique de 11 tonnes puisque, outre le miroir principal de 2,4 m, il est couplé à plusieurs spectromètres et trois caméras (la première à champ étroit destinée à observer les objets peu lumineux, la seconde pour les observations à champ large et enfin la troisième pour l’infrarouge). Puisque pour des raisons politico-écologiques il a été décidé de ne pas utiliser de source d’énergie d’origine nucléaire, la production d’électricité destinée à faire fonctionner le module est assurée par deux ensembles de panneaux solaires moins polémiques mais probablement plus difficiles à manipuler.

     Le lancement est une réussite mais la joie des scientifiques est de courte durée : on se rend compte immédiatement que les premières images obtenues sont de qualité médiocre et que, même après traitement des dites-images, celles-ci restent floues. Il faut se rendre à l’évidence : une infime erreur de calcul dans la taille du miroir a rendu l’instrument « myope » ! Il faudra attendre une mission de sauvetage en 1993 avec à nouveau Discovery pour enfin corriger ce défaut « de jeunesse » (et au passage changer quelques autres instruments). Le télescope est alors pleinement opérationnel et il va bientôt changer notre perception de l’Univers.

Une moisson de découvertes

     Depuis la première mission de réparation par Discovery en 1993, Hubble verra les navettes revenir quatre fois pour assurer sa bonne marche. Chaque fois, les instruments défaillants sont remplacés et ceux devenus obsolètes changés. Toutefois, la dernière « mission » d’une navette (Atlantis) remonte maintenant à 2009 et c’était la dernière possible puisque le système de ces vaisseaux spatiaux réutilisables a été depuis abandonné par la NASA. En réalité, Hubble continuera à fonctionner de nombreuses années, même après le lancement réussi du télescope spatial James Webb, fin 2022, dont la vision dans l'infrarouge permet l'obtention d'images extraordinaires… qui viennent compléter et approfondir celles de son illustre prédécesseur toujours actif !

     La NASA avait assigné trois tâches à Hubble, tâches qui furent parfaitement accomplies :

* étudier le proche milieu intergalactique afin d’en décrire la composition ainsi que celle des galaxies ;

*  étudier les champs profonds afin d’observer les premiers instants de l’Univers et

* déterminer la constante de Hubble qui est, rappelons-le, la constante de proportionnalité entre distance et vitesse de récession apparente des galaxies ou, pour le dire plus simplement, la constante qui permet de déterminer le taux d’expansion de l’Univers.

    Mais ce ne fut pas tout : Hubble nous a ébloui par la qualité et la beauté des photographies qu’il a prises et, surtout, par des découvertes essentielles. Revenons brièvement sur quelques unes d’entre elles :

* En juillet 1994, Hubble était en parfait état de marche lorsque la comète Shoemaker-Levy s’écrasa sur Jupiter. Il participa donc à cette première observation directe de la collision hors de notre planète d’objets du système solaire, événement confirmant au passage le rôle « protecteur » de la géante gazeuse puisque la forte influence gravitationnelle de celle-ci « détourne » un grand nombre de petites comètes et astéroïdes qui, autrement, iraient s’écraser sur d’autres cibles potentielles dont la Terre… avec les conséquences que l’on imagine.

* C’est Hubble qui, parmi les premiers, apporta la confirmation qu’il existe bien des exoplanètes, c'est-à-dire des planètes tournant autour d’autres systèmes solaires que le nôtre, une notion évoquée depuis des siècles mais jamais encore prouvée (première détection du transit secondaire sur l’étoile HD 209458, voir le sujet dédié : planètes extrasolaires).

* Hubble fut un élément déterminant dans la consécration du modèle actuel de l’accélération de l’Univers puisque ses observations ont permis de l’affiner.

* Contrairement aux télescopes terrestres (mais cela change rapidement), Hubble est capable d’observer les étoiles des autres galaxies, donc dans des milieux différents de la Voie lactée, ce qui a permis de compléter notre connaissance du cycle stellaire.

* C’est encore le télescope spatial qui, grâce à des observations répétées, a confirmé le fait que la plupart des galaxies (dont la nôtre) recèlent un trou noir géant en leur centre. Rappelons pour la petite histoire qu’il y a à peine quelques années, une majorité de scientifiques doutaient de ce que les trous noirs – notion théorique s’il en est – puissent réellement exister…

*  Depuis l’astronome suisse Fritz Zwicky, on sait que la quantité visible de matière ne peut à elle seule expliquer le ballet des galaxies dans le ciel : le calcul de l’action des forces gravitationnelles qui régissent leurs mouvements sous-entend obligatoirement la présence d’une « matière invisible » appelée, faute de mieux, matière noire ou matière sombre. Inutile de dire que, durant des années, cette idée insolite divisa profondément la communauté scientifique. Hubble apporta la preuve que cette matière noire ne pouvait pas être due à la seule existence des naines brunes (étoiles avortées car de trop petites tailles) ou noires (évolution possible, mais non prouvée, des naines blanches) : d’après les observations du télescope spatial, leur nombre est en effet trop faible pour expliquer les grandes divergences des chiffres.

* L’étude de ce que l’on appelle aujourd’hui « le champ profond de Hubble » est également une contribution remarquable du télescope. Il s’agit de la photographie d’une région couvrant un trente millionièmes du ciel, région minuscule certes mais contenant déjà plusieurs milliers de galaxies. Cette photographie confirma ce que l’on soupçonnait auparavant, à savoir que, quelle que soit la direction dans laquelle on regarde, on trouve des galaxies semblables à la nôtre à n’en plus finir mais pas seulement… Puisque regarder si loin, c’est regarder dans un passé très ancien, reflétant les premiers instants de l’Univers, Hubble a ainsi repoussé les limites de l’observation et, surtout, prouvé que des galaxies importantes étaient présentes bien plus tôt qu’on ne le pensait. Ajoutons à cela que cette étude fut également effectuée dans le ciel austral avec les mêmes résultats, démontrant de façon irréfutable l’homogénéité de l’Univers à grande échelle : il ne s’agit pas là d’une observation banale mais de la confirmation du bien fondé de la théorie du Big bang et de son inflation initiale (voir le sujet : Big bang et origine de l'Univers).

     On voit donc que l’apport de ce télescope malgré la taille modeste de son optique (comparée à celle des télescopes au sol) fut et est encore fondamental. Mais ce qui est peut-être le plus remarquable et le plus émouvant dans la moisson de ce petit engin, c’est la qualité et la beauté des photographies de l’Univers qu’il nous a données : galaxies, amas globulaires, nébuleuses, rémanents de novas, couples binaires, cocons stellaires, etc. On ne peut que s’extasier devant l’extraordinaire album illustré par le télescope Hubble : pour s’en convaincre, il suffit de faire un saut sur le site officiel du télescope à l’adresse suivante : http://hubblesite.org/ et choisir de visualiser une des centaines d’images extraordinaires de la collection. L’astronome du siècle dernier Camille Flammarion (et bien d’autres) aurait certainement donné des années de sa vie pour voir ça !

Les temps changent

     Si tout va bien pour lui (et c’est bien le cas actuellement), le télescope spatial Hubble continuera à fonctionner sans problème majeur durant encore quelques années. Le temps que son successeur, actuellement en phase d’assemblage, soit lancé dans l’espace. Toutefois, celui-ci ne sera pas comparable à Hubble pour une raison très simple : depuis le lancement de notre télescope spatial, il y a un peu plus de vingt ans, les temps ont changé. En effet, les grands télescopes « terriens » sont devenus tout à fait compétitifs car l’avancée des techniques a pu combler leur principal défaut : malgré l’atmosphère, ils peuvent à présent voir aussi bien que Hubble ! C’est que, entretemps, l’informatique est passée par là : les nouveaux engins sont maintenant aidés par un ordinateur qui calcule les imprécisions engendrées par les turbulences de l’air et les corrige en temps réel. On parle alors « d’optique adaptative » qui consiste à braquer un faisceau laser dans la haute atmosphère, vers 90 km de hauteur, sur la mince pellicule d’atomes de sodium laissée par les météorites lors de leur entrée dans l’atmosphère. Du coup, ce sodium se met à briller et crée une image artificielle qui permet au système de calculer l’instabilité de l’air et d’adapter l’optique de l’instrument plus de mille fois par seconde… De ce fait, par exemple, bien que situé au sommet du Cerro Paranal (à 2600 m d’altitude), au Chili, le télescope VLT de l’agence européenne (4 miroirs de 8,20 m reliés) est deux fois plus précis que Hubble !

     Cette amélioration considérable des données fournies par les observatoires au sol explique pourquoi le successeur de Hubble ne sera pas « un Hubble amélioré ». Si l’on veut observer l’Univers en lumière visible, il est évident que, même dotés d’optiques adaptatives très performantes et donc onéreuses, les observatoires terriens reviennent nettement moins chers à construire et surtout à entretenir qu’un télescope spatial : on préférera consacrer l’argent ainsi économisé à construire des miroirs (ou des ensembles de miroirs) plus grands et entourés d’équipements encore plus performants.

     Reste que le successeur de Hubble qui porte le nom d’un autre homme célèbre,

James Webb (un des principaux responsables du projet Apollo) étudie le cosmos dans une gamme d’optique qui échappe aux observatoires terrestres, l’infrarouge. Doté d’un miroir de 6,5 m (contre 2,4 pour Hubble), il peut collecter une image 9 fois plus rapidement que son prédécesseur. Il a été lancé avec succès le 25 décembre 2021 par un lanceur Ariane 5 sous le triple parrainage de la NASA, de l’Agence Spatiale Européenne et du CSA (Agence spatiale canadienne). De par sa position et contrairement à Hubble, il n’est prévu pour lui aucune mission d’entretien.

Ses premiers clichés, spectaculaires, ont ravi les scientifiques : ils sont résumés dans un article dédié ICI.

Il y a un avant et un après Hubble

     Le télescope spatial Hubble aura marqué un tournant en astronomie en permettant pour la première fois à l’humanité de s’affranchir des contraintes terrestres pour observer son environnement proche et lointain. Comme on l’a vu, Hubble a permis de réaliser d’énormes progrès dans la compréhension de notre univers. Un an après le lancement du télescope spatial James Webb, il était prévu de « mettre Hubble à la retraite » après 25 ans de bons et loyaux services. En réalité, puisqu’il n’est plus question pour des raisons techniques de prévoir des missions d’entretien, on voit mal les scientifiques se passer d’un outil pour peu qu’il fonctionne encore. On pouvait donc penser que Hubble continuerait tranquillement son observation du ciel. Et c'est bien ce qui se passe : le télescope spatial James Webb ayant été parfaitement positionné a commencé à nous envoyer des clichés époustouflants qui font le bonheur des scientifiques. C'est un deuxième tournant de l'astronomie observationnelle, certes, mais Hubble est toujours là qui nous gratifie de clichés tout à fait remarquables. En fait, les deux engins se complètent parfaitement…

Sources

 1. fr.wikipedia.org

2. www.techno-science.net/

3. Encyclopaedia Britannica

4. hubblesite.org/

5. pgj.pagesperso-orange.fr/Hubble.htm

Images :

1. le télescope spatial Hubble (sources : solarsystem.nasa.gov/)

2. Lyman Spitzer (sources : spaceflightnow.com/)

3. la navette Discovery installant Hubble sur son orbite géostationnaire (sources : cdn.zmescience.com/)

4. la comète Shoemaker-Levy s'écrasant sur Jupiter (sources : hubblesite.org/)

5. étoiles de la galaxie d'Andromède individualisées par Hubble (sources : hubblesite.org/)

6. Hubble deep field (sources : hubblesite.org/)

7. le télescope VLT de l'ESA (sources : atacamaphoto.com/)

8. le télescope James webb (sources : spacetelescope.org/)

 (pour lire les légendes des illustrations, posser le pointeur de la souris sur l'image)

Mots-clés :  Edwyn Hubble - télescope du Mont Palomar - Hermann Oberth - Lyman Spitzer - Agence Spatiale Européenne ESA - navette Discovery - télescope spatial James Webb - comète Shoemaker-Levy - exoplanètes - Fred Zwicky - matière noire - optique adaptative

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

Sujets apparentés sur le blog :

1. matière noire et énergie sombre

2. distance et durée des âges géologiques

3. les galaxies

4. Big bang et origine de l'Univers

5. Edwin Hubble, le découvreur

6. l'expansion de l'Univers

7. juste après le Big bang

8. planètes extrasolaires

9. premières photos du télescope spatial James Webb

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dernière mise à jour : 16 avril 2023

   Einstein avait un problème avec la physique de Newton : il n’arrivait pas à comprendre comment elle acceptait qu’un objet éloigné puisse avoir une influence immédiate sur un autre corps puisque, pour lui, la vitesse de la lumière était finie et indépassable. Par ailleurs, les lois de Newton semblaient s’appliquer assez justement aux phénomènes observables dans notre environnement proche mais qu’en était-il au-delà ? Il s’attela donc à repenser entièrement l’ensemble de l’édifice théorique et à écrire les formules mathématiques justifiant une nouvelle approche. Dès 1905, il publia sa théorie de la relativité restreinte qui concernait les phénomènes utilisant des vitesses constantes avant, dix ans plus tard, de généraliser sa théorie en y incluant la gravitation.

   Il expliqua que la physique newtonienne s’appliquait assez justement tant qu’elle ne concernait pas les « grands espaces » car, en effet, ses approximations, forcément infimes à notre échelle, ne sont guère perceptibles. Du coup et afin de convaincre les hésitants, sa théorie devait pouvoir corriger les  « imprécisions newtoniennes » et c’est bien ce qu’il se passa. Il restait un phénomène prévu par la théorie d’Einstein mais jamais encore observé : les ondes gravitationnelles. C’est à présent - et depuis quelques mois - chose faite.

Les grandes lignes de la physique einsteinienne

   Dans la théorie de la relativité restreinte qui, rappelons-le, ne concerne que les phénomènes se déroulant à vitesse constante, on trouve des éléments fondamentaux comme :

         * la constance de la vitesse de la lumière (exactement 292 792 458 m/sec, soit un peu moins de

300 000 km/sec), vitesse indépassable. Dans le système solaire, les distances bien que gigantesques à nos yeux sont en réalité très modestes à l’échelle de l’Univers : elles se calculent en minutes-lumière, voire en heures-lumière pour l’éloignement des planètes géantes de notre système. Toutefois, l’étoile la plus proche du Soleil (alpha dite Proxima du Centaure) est actuellement située à près de 4 années-lumière et notre galaxie (qui mesure entre 70 000 et 100 000 années-lumière de longueur) est située à des millions d’années-lumière de sa proche voisine Andromède : nous ne sommes plus dans le même ordre de grandeur et les approximations de la physique newtonienne ne sont plus acceptables à si grande échelle.

         * il existe une stricte équivalence entre énergie et matière comme le résume fort bien la célèbre formule E = mc² (l’énergie d’un objet de masse m au repos est égale à sa masse que multiplie le carré de la vitesse de la lumière). Or, dans cette formule c² est forcément gigantesque (le carré de 300 000 000  !) et cela veut donc dire que le fait de faire disparaître une infime quantité de matière m produit une énergie colossale. Pour illustrer cela, on prend souvent l’exemple d’un gramme de matière qu’on anéantirait avec un gramme d’antimatière : l’énergie produite serait équivalente à la bombe d’Hiroshima…

         * l’espace et le temps sont liés et ne peuvent être dissociés. On vient de dire que la vitesse de la lumière ne pouvait être dépassée et qu’elle est constante dans un référentiel inerte (c’est-à-dire sans accélération) : de ce fait, si la vitesse de la lumière est constante, la variation ne peut venir que du temps… Le temps peut ralentir, s’accélérer voire se dilater indéfiniment  ! Il s’agit d’une notion difficile à comprendre pour nos esprits confrontés à la petitesse de notre environnement. Bien entendu, les contemporains d’Einstein eurent eux aussi du mal à admettre ces notions et il leur fallait des preuves.

   De plus, la relativité restreinte ne concerne, on vient de le dire, qu’une approche locale des phénomènes physiques, concernant des vitesses constantes, sans accélération. Ce qui ennuyait fortement Einstein qui souhaitait « généraliser » sa théorie à l’ensemble des situations et c’est la raison pour laquelle, dix ans plus tard, en 1915, il présenta une théorie de la relativité, générale cette fois.

   Cette généralisation de la relativité restreinte intègre la gravitation et cela change beaucoup de choses. La

première conséquence en est que, dans ce modèle, l’espace est déformable : tout objet entraîne la courbure plus ou moins importante de l’espace où il se trouve et l’importance de cette courbure sera proportionnelle à la valeur de sa masse. Du coup, l’espace déformé est une sorte de cuvette plus ou moins profonde au centre de laquelle siège l’objet et la distance entre deux points ne sera plus une ligne droite mais une ligne courbe plus ou moins inclinée selon la pente de la cuvette : on parle alors de géodésique.

   Au-delà de l’aspect quelque peu inhabituel du concept, on pourrait éventuellement penser qu’il s’agit en réalité de détails mais c’est tout le contraire. En effet, si un plus petit objet se trouve à proximité d’un plus gros, comme, par exemple, la Terre à proximité du Soleil, le plus petit s’approchera du plus gros en suivant une géodésique et non une ligne droite : il ne « tombera » alors pas sur le plus gros mais se mettra en orbite autour de lui… Cette courbure que l’objet le plus gros crée autour de lui et qui « capture » l’objet le plus petit se fait à la vitesse de la lumière et, du coup, la théorie répond à ce qui paraissait incompréhensible dans la physique newtonienne.

   À la suite de la publication de sa théorie de la relativité générale, Einstein tenait quelque chose de complètement nouveau qui permettait d’avoir un regard neuf sur l’Univers et ses lois. Il n’en restait pas moins qu’il s’agissait d’une théorie, séduisante certainement, mais une théorie qu’il fallait valider.

Les preuves progressivement acquises

   Nous ne reviendrons que succinctement sur les différentes « preuves » de la validité de la relativité générale, le sujet ayant déjà été traité (voir : théorie de la relativité générale).

   La première réponse de la théorie concerna un problème exclusivement astronomique : l’avance du périhélie de Mercure, c’est-à-dire le point le plus proche de Mercure par rapport au Soleil, un problème que la physique de Newton ne savait pas résoudre : la Relativité l’explique parfaitement.

   Vint ensuite la preuve par l’observation de mirages gravitationnels (ou lentilles gravitationnelles) : il s’agit ici

du chemin parcouru par une lumière lointaine lorsqu’elle arrive à proximité d’un objet de masse importante situé entre elle et l’observateur. Si l’espace est réellement courbé par l’objet, la lumière provenant de l’objet lointain prendra plusieurs chemins dans la « cuvette » ainsi formée (géodésiques) par l’objet intermédiaire et l’observateur verra l’image de l’objet lointain plusieurs fois… On profita d’une éclipse de soleil en 1919 (c’était lui l’objet massif) et on constata la déviation de la lumière d’étoiles fixes parfaitement connues au passage de notre étoile. C’était une confirmation éclatante de la théorie et nul ne se risqua plus à la mettre réellement en doute : son inventeur devint du jour au lendemain un des scientifiques les plus célèbres du monde.

   D’autres expériences dites « relativistes » restaient à faire pour conforter le bien-fondé de la Relativité générale et, au fil des années, la technique aidant, elle furent réalisées, chaque fois avec un résultat positif. Toutefois, une preuve manquait à l’appel en raison de la grande difficulté à recueillir les informations sur le phénomène : l’observation d’ondes gravitationnelles.

Les ondes gravitationnelles

* la théorie

   Puisque l’espace et le temps ne font qu’un, chaque fois qu’il se produit un événement massif dans l’Univers, la conséquence en est un réajustement local et la création de très faibles perturbations qui se propagent dans l’espace à la vitesse de la lumière. Ces ondulations ressemblent à celles qu’on peut observer à la surface d’un lac lorsqu’on y jette un caillou. Ce sont ces perturbations infimes de l’espace-temps que l’on appelle ondes gravitationnelles. En réalité, il existe deux types d’ondes gravitationnelles : celles qui sont apparues juste après le Big bang et qu’on appelle les ondes primordiales et celles qui correspondent aux déplacements d’objets massifs dans l’Univers.

   Il s’agit d’un phénomène qui a été théorisé des 1916 par Einstein. Toutefois, on savait depuis le début qu’il serait très difficile d’enregistrer ces ondes car deux paramètres entrent en jeu : 1. La puissance du phénomène qui doit être majeur pour être perceptible (la simple explosion d’une étoile, même géante, ne suffisant pas) et 2. La finesse d’enregistrement des instruments susceptibles de mettre en évidence l’événement : on estime qu’un plissement gravitationnel entre la Terre et la Lune aurait l’épaisseur… d’un atome.

   Ajoutons à cela que les scientifiques n’étaient pas certains de la validité de la théorie sur ce point précis ; Einstein lui-même était revenu à plusieurs reprises sur ce qu’il pensait, se demandant s’il existait vraiment une réalité physique au phénomène ou s’il ne s’agissait pas tout bêtement d’un problème mathématique dépendant du choix du système de coordonnées retenu, ce que les spécialistes appellent un « effet de jauge ».

* la première preuve indirecte

   En 1974, deux astronomes américains, Russell Hulse et Joseph Taylor, étudiaient le pulsar PSR1913+16. Rappelons qu’un pulsar est le stade terminal de la vie d’une étoile massive, lorsque l’enveloppe externe de l’étoile a disparu et

qu’il ne reste plus que qu’un cœur hypermassif sous forme d’une étoile à neutrons. Une étoile à neutrons tourne plusieurs centaines de fois par seconde sur elle-même, projetant un faisceau de radiations à la manière d’un phare d’où le nom de pulsar. Toutefois le pulsar étudié par les deux scientifiques avait la particularité d’être formé de deux étoiles à neutrons et, du coup, on pouvait calculer la période orbitale du couple. Or les calculs montraient que cette période orbitale décroissait d’un millième de seconde chaque année… très certainement du fait de la formation d’ondes gravitationnelles. Prix Nobel de physique pour les deux chercheurs en 1993 et grande avancée de la théorie de la relativité mais... on était toujours à la recherche d’une preuve directe.

* l’observation de LIGO

   Le 14 septembre 2015, à très précisément 9h51 (temps universel) soit 11h51, heure de Paris, deux interféromètres, situés à 3000 km l’un de l’autre et constituant l’expérience nommée LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), enregistrèrent simultanément le passage d’une onde

gravitationnelle. On a déjà dit qu’il fallait un  événement considérable pour que puisse être mis en évidence cette très faible fluctuation de l’espace-temps : cet événement s’est produit il y 1,3 milliard d’années lors de la collision de deux trous noirs. On peut dire la chose différemment : en dépit de sa vitesse prodigieuse (300 000 km/sec), cette déformation parcourant l’Univers aura mis 1,3 milliard d’années à nous parvenir… Oui, l’Univers est immense…

   Ce cataclysme ancien s’est produit quelque part dans l’hémisphère sud sidéral sans que l’on puisse apporter d'autres précisions (il aurait fallu plus d’interféromètres pour une meilleure localisation). Les deux trous noir « pesaient » respectivement 29 et 36 fois la masse du Soleil et ils ont fusionné dans un maelstrom cataclysmique pour aboutir à un super trou noir d’environ 62 masses solaires : les « 3 masses solaires manquantes » ont été converties en énergie précisément véhiculée par les ondes gravitationnelles. C'est cette contraction infinitésimale qu'ont enregistrée les capteurs de LIGO : infinitésimale, en effet, puisque la contraction de l'espace observée était de l'ordre de 100 000 milliards de fois inférieure à un cheveu !

   Outre la mise en évidence des ondes gravitationnelles et la déformation de l’espace-temps, l’observation LIGO a dans le même temps définitivement établi l’existence des trous noirs dont quelques scientifiques doutaient encore. Et valider encore une fois s’il en était besoin la théorie einsteinienne de la relativité générale…

Une nouvelle astronomie

   Il est entendu que le fait d’avoir enregistré pour la première fois des ondes gravitationnelles est un événement considérable, la consécration de la pensée théorique et de l’observation scientifique. Pourtant, ce n’est peut-être pas là le principal : en démontrant la réalité de ces ondes si longtemps recherchées, c’est tout l’avenir de l’astronomie des espaces lointains qui est transformé.

   En effet, toute une partie de l’Histoire de l’Univers jusqu’à présent inaccessible avec nos outils classiques le devient grâce à l’interférométrie spécialisée : on imagine que l’explication d’événements tels que des coalescences de trous noirs, l'explosion d'étoiles géantes, la chute d’étoiles à neutrons sur l’horizon de trous noirs, bien d’autres phénomènes galactiques mal élucidés sont à portée de main. Mais on peut surtout espérer que cette nouvelle approche de l’exploration astronomique nous permettra de pénétrer les premiers instants de la formation de l’Univers, juste après le Big bang, durant ces fameuses 380 000 premières années alors que la lumière n’était pas encore apparue. On pourra donc peut-être voir au-delà du rayonnement fossile, ce fameux fonds diffus cosmologique qui était jusqu’à présent pour tous une limite indépassable…

Cette percée marque la naissance d'un domaine de l'astrophysique entièrement nouveau, comparable au moment où Galilée a pointé pour la première fois son télescope vers le ciel au XVIIe siècle

 (France Cordova, National Science Foundation, USA)

Sources :

* Wikipedia France (https://fr.wikipedia.org/)

* Revue Science et Avenir (http://www.sciencesetavenir.fr/)

* Jean-Pierre Luminet, astrophysicien

 (http://blogs.futura-sciences.com/luminet/)

* journal Le Monde (http://www.lemonde.fr)

* revue Science & Vie (http://www.science-et-vie.com)

Images

1.  vue d’artiste d’ondes gravitationnelles générées par la coalescence de deux trous noirs (source : tempsreel.nouvelobs.com)

2. Albert Einstein (sources : mirror.co.uk)

3. le couple Terre-Lune (sources : anarchies.e-monsite.com)

4. mirage gravitationnel "la croix d'Einstein (sources : univers-astronomie.fr)

5. vue d'artiste d'un pulsar (sources : maxisciences.com)

6. interféromètre du projet LIGO (sources : www.sciencemag.org/)

7. fonds diffus cosmologique (sources : astro.kizix.org)

(pour lire les légendes des illustrations, passer le curseur de la souris dessus)

Mots-clés : Albert Einstein - théorie de la relativité générale - avance du périhélie de Mercure - mirages gravitationnels - période orbitale - rayonnement fossile

 (les mots en gris renvoient à des sites d'information complémentaires)

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mise à jour : 19 mars 2023

   Le modèle qui explique le mieux ce que nous savons de notre Univers et de sa formation est appelé « modèle standard ». Il repose au départ sur l’hypothèse d’une singularité appelée Big bang où toute la matière est contenue dans un très petit volume qui brutalement s’agrandit en créant l’espace au fur et à mesure de son expansion pour aboutir à l’Univers que nous pouvons à présent observer, les étoiles, les galaxies, etc. Toutefois, la théorie n’est pas parfaite et même si, nos outils évoluant, nombre de ses implications ont pu être validées par l’observation, il reste des points noirs, des interrogations et des lacunes. Ces anomalies, ces bizarreries qui ne « collent » pas avec le modèle sont-elles susceptibles de le remettre en cause ou bien sont-elles seulement la preuve que nous ne disposons pas encore de toutes les données ? Doit-on tout reprendre à zéro ou simplement nous armer de patience, le temps finissant par nous apporter les réponses indispensables ? Il est passionnant de se poser de telles questions mais, bien sûr,  seulement après avoir précisé ce que sont les plus importantes de ces anomalies.

Des étrangetés qui interpellent

   Après la découverte par Penzias et Wilson en 1964 du fond diffus cosmologique, la théorie du noyau originel, plus connue sous le nom de Big bang, s’imposa chez les scientifiques comme étant l’explication la plus vraisemblable de la formation de notre Univers, même s’il fallut par la suite introduire la notion « d’inflation » (accélération subite de l’expansion de l’Univers à ses débuts) qui semble, d’ailleurs, avoir été récemment validée par l’observation. Toutefois, l’astronome Zwicky (qui « inventa » les supernovas) jeta un pavé dans la mare dès les années 1930 en expliquant que les rotations des galaxies étaient beaucoup plus rapides que ne le prévoyait la théorie du Big bang ce qui fut confirmé bien plus tard par la communauté scientifique. La vitesse anormale de la rotation des galaxies n’est toutefois pas, comme on va le voir, la seule interrogation que les astronomes se posent à propos de ces structures : leur aspect, leur disposition et même leur composition interpellent aussi. Intéressons-nous d’abord à la question qui passionna Zwicky.

La trop grande vitesse de rotation des galaxies

   Comme on vient de le voir, c’est donc le Suisse Fritz Zwicky (1898-1974) qui souleva le problème de la vitesse de rotation des galaxies (il avait constaté l’anomalie dès 1933 et, à cette époque, avait émis l’hypothèse d’une matière intersidérale invisible pour l’expliquer). Il ne fut bien sûr pas écouté et c’est seulement dans

les années 1970 que l’Américaine Vera Rubin s’intéressa au problème et démontra que Zwicky avait raison : les étoiles en périphérie des galaxies ont une vitesse de rotation bien plus importante que ne le prévoit le modèle. L’explication pourrait en être la présence d’une matière « invisible » d’une masse pouvant aller jusqu’à 5 à 6 fois celle de la galaxie considérée. De ce fait, les étoiles observées ne se trouveraient alors plus en périphérie de la galaxie puisqu’entourées par de la matière invisible mais beaucoup plus proches du centre de l’ensemble ce que l’on ne peut évidemment pas voir en observation directe. Et voilà pourquoi ces étoiles tourneraient plus vite que prévu ! En 2008, les calculs furent affinés et ils ne souffrent aucune discussion : il y a bien anomalie puisque, alors que la théorie avance une vitesse de rotation maximale de 100 km/s, l’observation nous dit 3 fois plus (300 km/s environ). L’explication ? Le résultat de la présence de cette matière invisible, vite appelée matière noire.

   Problème : personne n’a jamais vu cette matière noire, ni même ne sait à quoi elle pourrait bien ressembler. On l’a introduite dans les calculs pour les valider, un point c’est tout. Pour un modèle « standard », cela ne fait pas tout à fait sérieux…

L’énigme des pulsars manquants

   Comme cela a déjà été expliqué dans le sujet dédié (mort d'une étoile), une étoile à neutrons est le stade ultime de la mort des grosses étoiles (celles faisant plus de 8 fois la masse du Soleil) après qu’elles se soient d’abord transformées en supernovas (certaines de ces étoiles, encore plus grosses, se transforment même directement en trous noirs). Une étoile à neutrons est toute petite : quelques dizaines de km de diamètre mais la matière y est hyperconcentrée (on dit que le poids de la tour Eiffel y tiendrait dans quelques grains de poussière). Beaucoup d’entre elles sont dotées d’un champ magnétique intense et, comme ces restes d’étoiles tournent rapidement sur eux-mêmes, leurs champs magnétiques peuvent être captés, à la manière de « phares » cosmiques, sous la forme de très brèves impulsions : on parle alors de pulsars. On comprend aisément que, si le rayonnement magnétique d’un pulsar est aligné sur le récepteur, à savoir la Terre, il est assez facile de l’identifier.

   Où trouve-t-on de grosses étoiles susceptibles d’avoir donné des pulsars ? Eh bien dans le centre de la galaxie où grouillent les étoiles massives. Sauf que

- pas de chance - les télescopes ne purent jamais mettre en évidence les dits-pulsars lorsqu’on les chercha. Normal, répondirent les spécialistes : entre le centre galactique et nous, il y a d’immenses nuages de poussière imperméables même aux rayons X. Bien. On se contenta de cette explication jusqu’à ce qu’un télescope en repère un, de pulsar, à une année-lumière du centre estimé. À cette occasion, on se rendit compte que les poussières n’étaient en réalité pas si opaques que ça… et que, décidément, il n’y avait vraiment pas de pulsars au centre de notre galaxie. L’explication ? Difficile à donner. Certains scientifiques évoquent l’antimatière (?), le trou noir central de notre galaxie appelé Sagittarius A ou, plus récemment… la matière noire qui, s’accumulant sur les pulsars, les ferait exploser en trous noirs… forcément invisibles. Toujours la matière noire  !

Le mystère des bulbes galactiques

   Encore les galaxies : décidément, il semble y avoir un problème avec elles dans le modèle standard ! Cette fois, on s’intéresse à leurs bulbes c'est-à-dire à leurs centres. En effet, la théorie stipule que les grandes galaxies sont le fruit de la fusion de galaxies plus petites qui s’agrègent progressivement. Et, là, les stimulations sont formelles : en pareil cas, à chaque nouvelle fusion, le bulbe de la nouvelle galaxie résultante doit s’accroître. Sauf que l’observation ne va pas dans ce sens. Les galaxies ont des bulbes centraux toujours plus petits que ce que l’on pourrait escompter et les deux-tiers d’entre elles n’ont même pas de bulbe du tout ! (étude en infrarouge de 2002 portant sur des milliers de galaxies). Plus encore, lorsque, avec le télescope spatial Hubble, on regarde très très loin – et donc dans le passé lointain de l’Univers – on s’aperçoit que ces premières galaxies si éloignées dans le temps et dans l’espace n’ont pas de bulbe, qu’elles ne sont que des amas d’étoiles jeunes organisées en différents blocs adjacents.

   Ces constatations sont si dérangeantes que les scientifiques essaient par tous les moyens de retoquer leur modèle en modifiant par exemple les températures notamment des gaz, la masse des galaxies… et les propriétés de la matière noire. Toujours elle. Le modèle standard, ici aussi, montre certaines limites.

L’alignement des galaxies naines

   Chaque grande galaxie est entourée de structures plus petites que l’on appelle des galaxies satellites. Notre galaxie, la Voie lactée, ne fait pas exception et elle

est effectivement entourée de quelques galaxies naines (comme les nuages de Magellan qui renferment quelques milliards d’étoiles) mais elles ne sont qu’une trentaine là où la théorie en prévoit plusieurs milliers. Phénomène encore plus surprenant : toutes ces galaxies se retrouvent alignées dans un plan relativement étroit autour la Voie lactée. Cette disposition étrange n’est pas isolée : nous savons à présent que l’on retrouve un agencement aussi particulier pour nombre de galaxies observées récemment. Quelle peut en être l’explication ? Pour certains scientifiques, c’est encore la matière noire qui expliquerait ces alignements spéciaux. D’autres commencent à se demander si ce ne sont tout simplement pas les lois de la physique newtonienne qu’il faudrait revoir : nous aurons l’occasion de revenir sur ce point de vue.

Les oscillations trop intenses des géantes rouges

   Une étoile géante rouge représente le stade par lequel passe une étoile moyenne comme le Soleil lorsqu’elle atteint la fin de sa vie. Beaucoup plus grosse que l’étoile d’origine, elle est alors aussi plus froide (donc rouge) précisément en raison de sa taille. Ces étoiles sont parfaitement identifiables dans notre galaxie et c’est l’étude systématique de plusieurs centaines d’entre elles qui attira l’attention des scientifiques. En effet, dans le disque galactique où elles se trouvent, elles « oscillent » légèrement de bas en haut à la façon d’un manège où les chevaux de bois montent et descendent.

   Je devrais plutôt dire « la théorie prévoyait qu’elles oscillent légèrement » parce que, en réalité, ce n’est pas le cas : l’amplitude est d’autant plus grande qu’elles sont éloignées du centre du disque galactique, jusqu’à deux fois plus que ce qui était prévu. Quelle pourrait-être l’explication de cette étrange observation ? On a avancé la présence des galaxies naines, notamment les nuages de Magellan, mais les calculs montrent que leur masse est trop faible. Les chercheurs ont alors proposé une particularité de la matière noire qui s’écraserait aux pôles de la galaxie et expliquerait donc les variations à l’équateur. Toujours cette matière noire dont on ne peut se passer…

D’autres étrangetés, encore

   Les anomalies que l’on vient d’évoquer sont plutôt troublantes et elles ne sont pas les seules. Depuis quelques années, on a mis en évidence d'autres phénomènes ou observations qui ont du mal à entrer dans le cadre du modèle standard. À moins, ici encore, d’invoquer cette fameuse matière noire…

* mise en évidence d’un étrange rayon X : c’est à l’occasion d’une banale étude des spectres lumineux de

plusieurs dizaines d’amas galactiques (pour en cataloguer la composition chimique) que le télescope de l’Agence Spatiale Européenne identifia un rayonnement ne correspondant à rien de connu. Après avoir cru à une erreur, les spécialistes se précipitèrent sur des enregistrements antérieurs… qui montrèrent effectivement les mêmes données passées alors inaperçues  ! Et si c’était la trace de cette matière noire que l’on cherche désespérément depuis des années et que, comme l’Arlésienne, on ne voit jamais ?

* des nuages de gaz trop lumineux : entre les galaxies stagnent d’immense nuages d’hydrogène plus ou moins ionisés et baignant par conséquent en lumière ultra-violette. Les scientifiques ont donc cherché à mesurer ce fond ultra-violet et à en identifier les responsables. Malheureusement, même en incriminant tous les objets susceptibles de former ce fond, notamment les quasars (très productifs en UV) qui sont les trous noirs centraux de certaines galaxies, on arrive à peine à 20% de ionisation. Et le reste ? Serait-ce… la matière noire car, selon certains modèles expérimentaux, elle serait capable d’aboutir à la formation d’ultra-violets ? On n’en sait pas plus.

* de bizarres émissions d’ondes radio à l’origine difficile à expliquer s’affichent parfois sur les détecteurs des scientifiques. Ils ressemblent  à l’émission de pulsars sauf qu’ici ils sont isolés, bien différents d'une répétition régulière de signaux. La piste pulsar a donc été écartée mais les astronomes sont à peu près persuadés - étant donné la similitude du signal unique avec ce que l’on sait de ces objets - qu’il s’agit quand même bien d’étoiles à neutrons. Plusieurs explications invérifiables pour le moment ont été avancées, la dernière en vogue évoquant une étoile à neutrons s’effondrant en trou noir central galactique à cause d’un surplus de… matière noire.

* les amas galactiques sont, pour certains, incompatibles avec l’évolution prévue par le modèle standard. On évoque ici les ensembles de centaines de galaxies (plusieurs centaines, parfois même des milliers) qui se sont formés assez tôt dans l’Univers, il y a environ 10 milliards d’années, à une époque où celui-ci était encore très jeune (il avait donc 3,7 milliards d’années). Pourtant, à ce moment lointain du passé, certains amas étaient déjà gigantesques alors qu’ils sont censés se construire progressivement, au fur et à mesure des fusions. Ces structures étant relativement stables dans le temps, on peut se poser la question : pourquoi si tôt ?

La matière noire et quoi d’autre ?

   On a vu que le modèle standard, s’il répond correctement à l’immense majorité des événements impliqués dans la construction et l’expansion de l’Univers, trouve tout de même quelques limites. Et pas des moindres. Pour combler ces « imprécisions », les théoriciens ont introduit une notion qui permet d’expliquer totalement notre environnement : la matière noire. Celle-ci explique les lacunes observées. Explication facile, diront certains.

   Cette matière inconnue n’est toutefois pas la seule énigme de notre astronomie actuelle. Prenons encore plus de recul et regardons cet Univers dans sa globalité :

on s’aperçoit alors que, non seulement il est en expansion mais que celle-ci s’accélère comme le démontrent les dernières observations ; il faut donc introduire une force répulsive s’opposant à la gravitation qui, elle, aurait spontanément tendance à faire se contracter l’Univers et se rapprocher les objets entre eux. C’est le rôle dévolu au corollaire énergétique de la matière noire baptisé énergie sombre (ou noire selon les auteurs). Et on a beau faire et refaire les calculs, de ces éléments et énergies cachées, il en faut beaucoup : toute la matière que nous connaissons (étoiles, planètes, galaxies, nuages de gaz, etc.) représente un peu moins de 4% tandis que la matière noire interviendrait pour 21% et l’énergie sombre, 75%  ! Disons-le autrement : 96% de l’Univers ne nous est pas accessible et nous est donc inconnu  ! On a parfois du mal à le croire et certains scientifiques ont vite franchi le pas. Si on ne voit pas cette matière noire, prétendent-ils, c’est pour la bonne raison qu’elle n’existe pas…

   Oui, mais comment alors expliquer les étrangetés dont nous venons de parler dans ce sujet : par exemple, la vitesse de rotation excessive des étoiles périphériques des galaxies ou la « danse oscillatoire » des géantes rouges ? D’autres modèles dits alternatifs viennent alors se substituer au modèle standard : des théories où les propriétés de la matière noire sont différentes , d’autres où elle n’existe pas.

   En effet, avancent certains chercheurs, si le modèle standard a tant de mal à expliquer certains phénomènes, c’est que la physique classique dont nous nous servons, celle de Newton, n’a plus cours dans ces domaines bien particuliers : il faut l’adapter et peut-être même la réinventer. C’est ce que propose, par exemple, le modèle MOND (MOdified Newtonian Dynamics ou Dynamique Newtonienne Modifiée) : ici, c’est la définition de la gravitation qui change. On se souvient que, dans la mécanique newtonienne, la gravitation est proportionnelle à l’accélération : dans la théorie MOND, cette gravitation varie selon l’échelle ; en cas de présence importante de matière, la gravitation suivrait parfaitement les lois de Newton mais, en cas de moindre quantité, l’accélération serait plus faible ce qui expliquerait les anomalies observées. De ce fait, plus besoin de matière noire, c’est la variation naturelle de la gravitation qui explique les phénomènes de vitesse de rotation trop élevée des étoiles périphériques des galaxies ou l’alignement des galaxies naines.

L’avenir départagera

   Les étrangetés de l’Univers dont nous venons d’évoquer les principales connues ne permettent pas au modèle standard actuellement en vigueur de leur

apporter des réponses totalement satisfaisantes. Signalons quand même que le modèle standard reste - de loin - le plus apprécié des scientifiques et cela bien qu’ on n’ait jamais pu isoler et identifier la matière noire. Toutefois, on a quand même pu indirectement l’observer  : l’effet de lentille gravitationnelle (dédoublement de l’image d’un objet par la courbure de l’espace en présence d’une masse importante) permet de calculer la masse d’après la théorie de la relativité générale et celle-ci ne correspond pas à la masse prédite, la différence étant attribuée à la matière noire. MOND ne peut expliquer les lentilles gravitationnelles mais prévient que ce n’est pas la masse qui est alors modifiée mais le champ gravitationnel. On le voit : il en faudra plus pour départager les différentes théories.

   De plus grands et plus précis outils d’observation vont bientôt entrer en fonction et il est probable que certaines des bizarreries évoquées se résoudront alors spontanément. La prochaine campagne du LHC, à la frontière franco-suisse, grand spécialiste de la chasse aux particules puisqu’il a mis en évidence le boson de Higgs, trouvera peut-être quelque chose se rattachant à la matière noire… Pour le moment, il faut patienter : dans le domaine scientifique, c’est toujours quand on s’y attend le moins que l’on est confronté aux surprises. Certaines de taille, parfois.

Sources :

1. Wikipedia France

2. Science et Vie, n° 1171, avril 2015

3. CNRS (http://www.cnrs.fr/)

4. Encyclopaedia Britannica

Images :

1. galaxie des Chiens de Chasse (sources : www.nasa.gov)

2. l'amas de Coma (sources : en.wikipedia.org)

3. vue d'artiste d'un pulsar (sources : zmescience.com)

4. grand nuage de Magellan (sources : astro-rennes.com)

5. nébuleuse de la montagne mystique (sources : qd9-test.obspm.fr)

6. répartition de la matière dans l'Univers (sources : www.podcastscience.fr)

7. lentille gravitationnelle Abell 3827 (sources : science-et-vie.com)

 (pour lire les légendes des illustrations, passer le curseur de la souris dessus)

Mots-clés : modèle standard - Big bang - fond diffus cosmologique - Fritz Zwicky - matière noire - supernovas - étoiles à neutrons - trous noirs - pulsars - Sagittarius A - géante rouge - quasars - amas galactiques - expansion de l'Univers - modèle MOND - lentille gravitationnelle

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   Notre étoile est une naine jaune de type G2-V, G2 signifiant qu’elle est un peu plus chaude que la moyenne des étoiles de sa catégorie tandis que V (prononcer cinq) veut simplement dire que le Soleil se situe au centre de la séquence principale du diagramme de

Hertzsprung-Russell (HR) qui répertorie la vie des étoiles. Fondu dans la masse des astres sans histoires, le Soleil, est donc en équilibre, bien tranquille en somme et à peu près à la moitié de sa vie. C’est une étoile relativement ordinaire puisque, dans la Voie lactée, les naines jaunes

comme elle sont près de dix milliards, à rapporter il est vrai à un total d’environ 150 milliards d’étoiles dont l’immense majorité est représentée par des naines rouges, des étoiles plus petites et moins chaudes que notre Soleil.

   Le Soleil est une étoile de 1 392 000 km de diamètre (109 fois le diamètre de la Terre) représentant 99,584 % de la masse du système solaire et, lorsqu’on le regarde à l’horizon terrestre, sa lumière qui parvient jusqu’à nous a voyagé durant 8 minutes et 19 secondes. Toutefois, si notre Soleil semble bien briller d’un beau jaune, plus ou moins orangé par moments, c’est essentiellement dû à la présence de l’atmosphère terrestre car, de l’espace, il apparaît d’un blanc tirant sur le vert et c’est bien ainsi que l’ont vu les astronautes des différentes missions spatiales.

   Le Soleil est une étoile parmi d’autres mais qui présente pour nous une propriété extraordinaire : c’est la seule dont nous soyons certains qu’une des planètes qui tourne autour d’elle renferme la Vie.

Le Soleil dans la Galaxie

   Le Soleil est un astre appartenant à une grande galaxie spirale barrée, la Voie lactée, dont on estime qu’elle abrite environ 150 milliards d’étoiles. Il existe des milliards de galaxies renfermant chacune des centaines de milliards d’étoiles : notre Soleil est l’une d’entre elles et c’est dire l’insignifiance de notre présence en ce bas-monde. Pour bien saisir cette existence infinitésimale, on dit parfois qu’il y a autant d’étoiles dans l’univers que de grains de sable à la surface de la Terre, le Soleil étant un seul de ces grains de sable…

   Dans la Voie lactée, il est situé approximativement vers les

2/3externes de l’ensemble, c’est-à-dire à environ 25 000 années-lumière du centre galactique occupé par un monstre pour l’instant en sommeil relatif, le trou noir baptisé Sagittarius A. Notre galaxie (qu’on appelle également la Galaxie, avec un G majuscule) étant du genre spirale, elle est dotée de quatre bras et c’est sur le bord intérieur de l’un d’entre eux, le bras d’Orion, que se trouve notre Soleil.

   Dans notre inconscient collectif, depuis que l’astronomie a pu s’affranchir des obscurantismes du passé, on sait que la Terre et les autres planètes tournent autour du Soleil qu’on imagine volontiers immobile : il s’agit là d’une erreur flagrante. Comme toutes les étoiles de toutes les galaxies, le Soleil est animé d’un mouvement propre qui le maintient en équilibre relatif avec les autres objets de son entourage. En réalité, le Soleil (et son système planétaire) se déplace à la vitesse de 217 km/sec (soit une année-lumière chaque 1400 ans) en un immense parcours circulaire autour du centre de la Voie lactée, un périple qui l’amène à en faire un tour complet en environ 226 millions d’années : depuis qu’elle existe, notre étoile a fait 18 fois le tour de la Galaxie…

   De la même manière, l’environnement proche du Soleil change lentement, les différentes étoiles se déplaçant les unes par rapport aux autres : par exemple, la naine rouge Proxima du Centaure qui est actuellement l’étoile la plus proche du Soleil puisqu’elle est située à 4,23 années-lumière de lui, ne le sera plus dans 33 000 ans, alors remplacée par une autre naine rouge, Ross 248.

Voir aussi :   la Voie lactée

                    les galaxies

Activité solaire

   Puisque le Soleil est une étoile, son activité consiste essentiellement à transformer de l’hydrogène en hélium et cette activité est gigantesque : chaque seconde, dans son cœur, notre étoile transforme 564 millions de tonne d’hydrogène en 560 millions de tonnes d’hélium ce qui lui fait perdre 4 millions de tonnes d’hydrogène dans l’opération. Chaque seconde  ! En fait, en une seconde le Soleil dégage plus d’énergie que toutes les civilisations humaines depuis leur apparition. Et cela dure depuis 4,57 milliards d’années et durera encore au moins aussi longtemps. C’est la raison pour laquelle, comme on l’a déjà dit, le Soleil se trouve sur la bande médiane du diagramme HR comme toutes les étoiles qui vivent tranquillement leur vie. Pour l’instant, il est composé de 74% d’hydrogène et de 24% d’hélium ce qui lui laisse de la marge (le reste de matière - oxygène, carbone, fer, etc. - est négligeable). Mais, bien entendu, ici-bas tout a une fin et lorsqu’elle aura épuisé ses réserves d’hydrogène, il faudra bien que notre étoile trouve le moyen de continuer à exister, du moins pour quelque temps supplémentaire : c’est ce que nous verrons un peu plus loin.

   À l’inverse d’une planète tellurique comme la Terre, le Soleil ne

présente pas de limites bien définies et la densité de ses gaz chute de manière progressive à mesure que l'on s'éloigne de son centre. Toutefois sa structure globale est assez bien comprise. On lui décrit :

* un noyau central dans lequel se font les réactions nucléaires, c’est-à-dire la fusion des atomes d’hydrogène pour aboutir aux atomes d’hélium. Inutile de préciser que les chiffres à cet endroit sont inimaginables : 15 millions de degrés pour la température (contre 5800 K en surface) et 340 milliards de fois la pression terrestre  !

* une zone radiative : c’est une région de gaz denses où les rayons gamma provenant de la fusion centrale sont réémis sous la forme de rayons X et ultra-violets dont les particules lumineuses, les photons, mettent un temps considérable pour traverser les différentes strates solaires avant d’arriver en surface (les scientifiques avancent les chiffres de 10 000 à 170 000 ans). Une fois atteinte la photosphère, ces photons s’échappent principalement sous forme de lumière ;

* une zone convective où l’énergie centrale est transmise à la surface par convection (mouvements verticaux de va-et-vient selon les différences de température) : l’énergie est conduite en surface par les gaz qui « replongent » lorsqu’ils la perdent ;

* la photosphère (160 km d’épaisseur) d’où part l’émission d’énergie qui atteint les planètes et

* la chromosphère, couche semi-transparente où se forment les protubérances, ces colonnes de feu qui jaillissent sur plusieurs centaines de km de hauteur ;

* la couronne solaire, enfin, qui est en quelque sorte la « chevelure » de l’atmosphère solaire.

   Nous venons de décrire (très) succinctement la structure du Soleil mais il serait bien entendu absurde de penser que son activité s’arrête là. Car, au-delà de la couronne qui s’évanouit peu à peu, commence ce que l’on appelle l’héliosphère qui, comme son nom l’indique est une immense bulle entourant notre étoile (et ses planètes). Cette héliosphère s’étend jusqu’aux confins du système, parcourue par les vents solaires (flux de plasma éjecté de la haute atmosphère solaire). On appelle alors héliopause l’endroit où ces vents solaires sont finalement neutralisés par le milieu interstellaire, l’endroit, en somme, où l’on sort de la zone d’influence de notre étoile pour entrer véritablement dans l’espace galactique proprement dit. C’est l’exploit qui a été réalisé il y a quelques mois par la sonde spatiale Voyager 1, premier et jusqu’à présent seul objet de fabrication humaine à être allé aussi loin : après un voyage de plus de quarante ans, le petit engin reste malgré tout toujours alerte et réactif aux ordres de sa base de lancement…

Voir aussi :   Les sondes spatiales Voyager

Les cycles du Soleil

   Les mouvements du Soleil ne concernent pas uniquement ses déplacements au sein de la Galaxie puisqu’il est également animé d’une rotation sur lui-même en environ 27 jours (25 à son équateur, 35 aux pôles). En fait, le Soleil est une boule de plasma et de gaz ce qui explique que cette rotation ne soit pas homogène sans que les scientifiques n’aient réellement compris les mécanismes en action. Quoi qu’il en soit, le Soleil génère un intense champ magnétique dont les effets se font sentir dans toute sa zone d’influence, notamment sur notre planète (aurores boréales notamment).

   Il existe bien un cycle solaire, c’est-à-dire une alternance d’activité maximale et minimale de notre étoile. Le phénomène est connu depuis longtemps et a été décrit pour la première fois par un astronome allemand, Heinrich Schwabe en 1843. Ce cycle est d’environ 11 ans (mais il est parfois irrégulier variant de 8 à 15 ans) et il faut bien reconnaître qu’aucune explication parfaite n’a jusqu’ici été proposée pour l’expliquer.

   De la même façon, le Soleil présente des taches sombres variables et intermittentes, un phénomène connu depuis la plus haute antiquité

puisque déjà remarqué par les astronomes grecs et chinois. Toutefois, c’est à Galilée que revient le fait d’avoir pu les observer en détail en 1612 grâce sa lunette astronomique. Cet aspect plus sombre d’une partie de l’étoile est en rapport avec un refroidissement (relatif) dont la cause semble être une inhibition de la convection (cf supra) à la suite d’une augmentation locale du champ magnétique. En fait, une tache solaire est une espèce d’immense tourbillon (certaines taches sont grandes comme des dizaines de Terre) où le gaz situé à la surface du Soleil plonge vers l’intérieur à des vitesses de plusieurs milliers de km à l’heure.

   Depuis que l’on étudie ce phénomène, nous nous trouvons dans le 24ème cycle solaire. La fin du 23ème cycle s’est produite en 2008 mais la reprise et le début du 24ème cycle se sont fait attendre jusqu’en 2013 sans que l’on ait de franches explications sur le sujet : on trouvera un article plus complet ICI. Ce que l’on peut dire toutefois, c’est qu’un tel phénomène - déjà connu par le passé - entraînera peut-être une baisse durable de l’activité solaire ce qui pourrait conduire à un refroidissement général à la surface de notre planète (compensé - mais jusqu’à quel point ? - par l’éventuel réchauffement climatique tant discuté de nos jours).

Voir aussi :   l’énigme des taches solaires

Le Soleil, une naissance assez classique…

   La Voie lactée est âgée d’environ 13 milliards d’années ce qui en fait, en réalité, une contemporaine des presque débuts (l’âge de l’Univers étant estimé à 13,7 milliards d’années) mais, bien entendu, le Soleil s’est formé bien plus tard, à peu près vers les 2/3 de l’âge de la Galaxie. Longtemps, les astronomes ont pensé que cette création était en rapport avec l’explosion locale d’une supernova, une théorie aujourd’hui abandonnée.

  L’hypothèse la plus vraisemblable est celle, il y a 4,5 milliards d’années de la présence d’une immense nébuleuse, c’est-à-dire un vaste ensemble de gaz et de matière s’étendant sur des dizaines d’années-

lumière. Sous l’effet de la gravitation, un nuage froid d’hydrogène et d’hélium se met à tourner de plus en plus vite sur lui-même. Le nuage s’aplatit progressivement tandis que sa température s’élève de façon vertigineuse et que, au centre, une zone ultra-compacte commence à délimiter les contours d’une proto-étoile. De la matière vient s’agréger à l’ensemble et lorsque la température atteint les 15 millions de degrés, les réactions thermonucléaires s’enclenchent avec l’amorce de la fusion de l’hydrogène : le Soleil vient de naître. Il ne nait d’ailleurs certainement pas seul puisque, la plupart du temps, de tels phénomènes engendrent l’apparition d’une poignée d’étoiles, le plus souvent quelques dizaines. Toutefois, nous évoquons un passé très ancien et, avec le temps et les mouvements stellaires relatifs, ces étoiles-sœurs se sont éloignées les unes des autres, certaines d’ailleurs étant déjà mortes. Aujourd’hui, il est impossible de savoir quelles étoiles faisaient alors partie de la pouponnière de notre astre du jour.

   On peut estimer la naissance du Soleil comme assez rapide (en termes astronomiques) puisqu’elle aura duré approximativement cinquante millions d’années, à comparer aux 12 milliards d’années que la nouvelle étoile a devant elle. Dont environ 10 milliards passés comme on l’a déjà signalé bien au calme sur la séquence principale du diagramme HR. Aujourd’hui, notre étoile se trouve en quelque sorte presque au milieu de sa vie ce qui signifie que, lorsque tout commencera à aller mal pour elle (dans 6 à 7 milliards d’années), les Hommes auront depuis longtemps, très longtemps, disparu. Mais cela ne nous empêche pas de savoir à l’avance comment tout finira pour notre Soleil puisque les astres de sa catégorie, les naines jaunes, sont connus depuis longtemps.

Voir aussi :   la Terre, centre du Monde

                    origine du système solaire

… mais  une mort plutôt singulière

     Toutes les étoiles ne sont pas égales face à leur mort : celle-ci dépend de leur taille, nous avons déjà eu l’occasion de l’évoquer ICI. Loin de la disparition apocalyptique des étoiles de plus de huit masses solaires qui terminent en supernovas, le Soleil quant à lui va passer par plusieurs stades successifs, assez bien documentés aujourd’hui par l’étude attentive de la disparition d’autres naines jaunes.

*  Signalons tout d’abord que, au cours de sa vie et au fur et à mesure que le Soleil perd son hydrogène au profit de l’hélium qu’il fabrique, sa luminosité et sa chaleur augmentent lentement, tant et si bien que dans un milliard d’années la Terre sera devenue pratiquement inhabitable : il sera alors temps - si l’humanité existe encore (ce dont je doute fortement) - de songer à émigrer peut-être sur une des lunes des géantes gazeuses. Encore deux milliards d’années et la chaleur du Soleil fera s’évaporer les océans terrestres, la Terre ne sera alors plus qu’une planète-désert calcinée. Toutefois, la véritable catastrophe reste encore à venir ;

* dans 4 milliards d’années, lorsque le Soleil aura environ le double de son âge actuel, notre étoile aura définitivement épuisé ses réserves d’hydrogène et son cœur ne sera plus composé que d’hélium et d’éléments plus lourds. C’est à ce stade, un stade où il ne pourra plus produire d’énergie, qu’il quittera la séquence principale du diagramme HR, son cœur commençant spontanément à se contracter tandis que, pour garder son équilibre, son diamètre et sa luminosité vont doubler ;

* dans 6 milliards d’années, les couches solaires superficielles seront

progressivement repoussées avec pour conséquence une dilatation lente durant 500 millions d’années puis plus rapide les 500 millions d’années suivants : d’un diamètre 100 fois plus grand que l’actuel et 2000 fois plus lumineux, le Soleil sera devenu une géante rouge qui englobera jusqu’à l’orbite de Vénus et durera encore un milliard d’années ;

* puis, la couronne externe du cœur de l’étoile va contracter l’hélium et initier sa réaction de fusion pour le transformer en carbone et en oxygène : il s’agira d’une réaction brutale appelée « le flash de l’hélium » dont la conséquence sera la diminution du volume et de la luminosité de l’étoile qui deviendra alors une sous-géante rouge…

* …qui va, lorsque tout l’hélium central aura été définitivement transformé, retrouver à nouveau son état de géante rouge durant une vingtaine de millions d’années supplémentaires. N’étant pas assez massif pour suffisamment comprimer son cœur de carbone, ses couches externes seront peu à peu dispersées dans l’espace pour donner ce que l’on appelle classiquement une « nébuleuse planétaire », terme toujours usité mais datant des débuts de l’astronomie moderne lorsqu’on croyait ces images en rapport avec des planètes. Cette nébuleuse planétaire sera composée d’hélium, de restes d’hydrogène ayant échappé aux fusions successives et d’un peu de carbone : ce nuage très chaud (10 000 K) pourra participer à la naissance de nouvelles étoiles, comme quoi, dans la Nature, de la mort souvent nait la vie…

* et le noyau dans tout ça ? Composé de carbone mais n’ayant plus de

carburant à consommer pour s’opposer aux forces gravitationnelles, le cœur va s’effondrer sur lui-même pour former une naine blanche, c’est-à-dire un astre de la taille de la Terre mais composé d’une matière dégénérée si dense qu’un grain de poussière y pèsera plus que toute la tour Eiffel. Au début, la naine blanche sera très brillante en raison de la chaleur emmagasinée puis elle se refroidira progressivement durant plusieurs milliards d’années avant de ne plus être qu’un cadavre n’émettant plus aucune lumière, une naine noire.

Voir aussi :   mort d’une étoile

                    la mort du système solaire

Le Soleil, une étoile très particulière

   Évidemment, quand on y réfléchit, dans l’immensité - peut-être l’infini - de l’espace, notre Soleil et son cortège de planètes, ce n’est pas grand-chose. D’abord, parce que des étoiles du même type, il en existe des milliards, probablement des milliards de milliards. Ensuite, parce que le Soleil, étoile moyenne, est totalement « noyé » dans l’immensité de la Voie lactée et ses 200 milliards d’étoiles. Enfin parce que la Voie lactée elle-même est insignifiante comparée aux milliards d’autres galaxies de l’univers visible.

   Pourtant, à nos yeux, le Soleil représente une étoile très spéciale… puisque c’est la nôtre. À notre connaissance, elle seule, abrite la Vie avec certitude. Bien sûr, statistiquement, cette vie, sous une forme ou sous une autre, existe forcément quelque part, ailleurs. Mais, pour le moment, nous ne pouvons pas  l’affirmer avec certitude. Et puisqu’il est si proche de nous, le Soleil a été l’étoile qui nous a permis de comprendre plus facilement les autres étoiles, celles qui lui ressemblent, évidemment, mais aussi les autres, observées et comparées à lui. Nous lui devons donc, outre la vie, une certaine approche de l’univers qui nous entoure.

   Pour l’espèce humaine, le Soleil est une étoile ambivalente : tout à fait ordinaire d’un certain point de vue, mais totalement exceptionnelle de l’autre. C’est en cela qu’il est si précieux.

Sources

* wikipedia France

* encyclopaediae britannica

* astronoo.com  

* revue Ciel et Espace

Images

1. coucher de soleil (sources : fond-d-ecran-gratuit.org)  

2. diagramme de Hirtzprung-Russel (sources : astronomie.savoir.fr)

3. place du Soleil dans la Galaxie (sources : cuk.ch)

4. structure du Soleil (sources : univers-astronomie.fr)

5. taches solaires (sources : journaldunet.com)

6. naissance du Soleil (sources : images.4ever.eu)

7. Soleil, géante rouge (sources : jmmasuy.net)

8. naine blanche et sa nébuleuse planétaire (sources : techno-science-net)

Mots-clés : naine jaune - Proxima du Centaure - planète tellurique - supernovas

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Mise à jour : 20 mars 2023

     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’éthologie.

Bonne lecture



                                  

                                                             Konrad LORENZ

Article : l’agression

 

Le 18 janvier 2008 (par defdef)

     Je viens de lire ton article et la longue citation de Lorenz qu'il contient. J'ai été particulièrement intéressé par l'hypothèse de l'observateur lointain (en général on dit : vu de Sirius plutôt que de Mars) qui ne comprendrait rien aux mouvements historiques. En tant qu'historien amateur, j'ai souvent réfléchi à cet aspect du problème mais en tant que cartésien, je crois que les conflits et les guerres (la forme la plus élaborée de l'agression) naissent de la raison, contrairement à ce que les philosophes soutiennent habituellement. La prétendue absurdité de la guerre est une idiotie, une illusion d'optique due à ce que des participants insuffisamment informés ou ayant un point de vue très restreint (je veux dire : ne voyant pas l'ensemble de l'enjeu) ont l'impression d'être embringués dans des actes complètement délirants où, de plus, leur survie n'est pas assurée. Mais en fait, chaque déclenchement de conflit relève, pour l'agresseur au moins, d'un calcul rationnel (qui peut être faux par erreur d'estimation des facteurs), tout comme symétriquement chaque capitulation est aussi un calcul rationnel. Tout plan de bataille, même celui qui s'avère le plus désastreux (mai 40, Dien Bien Phu) est aussi le produit d'un calcul parfaitement rationnel dont les facteurs ont été mal évalués. Il y a d'ailleurs longtemps que les grands chefs sont à l'abri des émotions, ce qui explique leurs ordres extrêmes (Lorenz parle de l'émotion comme facteur pacifiant dans ta citation).
     Il y a un autre facteur qui joue un rôle très important dans l'Histoire (et dans la Science) : le hasard.

Réponse (par cepheides)

     Je suis assez d'accord avec toi, mon cher defdef, lorsque tu nous dis que, chez l'Homme, la préparation d'un conflit - donc d'une agression - relève de la logique. Il existe assurément de nombreux éléments qui expliquent les sources d'un conflit et beaucoup d'identifiants peuvent être isolés : certains sont assez faciles à reconnaître, d'autres ne le seront que bien plus tard lorsque les observateurs auront eu assez de recul pour retrouver la sérénité, d'autres enfin ne seront sans doute jamais clairement définis et, peut-être, le hasard en a-t-il alors une part. Tous, en tout cas, relèvent de la logique (et pour les agresseurs, en effet, d'un calcul rationnel) pour peu qu'on veuille bien les étudier sereinement et je pense tout à fait comme toi qu'il est absurde de déclarer - avec le politiquement correct - que la guerre est une idiotie (ce qui n'empêche pas de la détester). Toute guerre, effectivement, est rationnelle. Ceux qui pensent le contraire ne sont que des individus qui, à leur échelle, ne possèdent qu'une vue partielle de la situation et là aussi je te rejoins. (Je pense souvent à Stendhal et à sa description par son héros, Fabrice del Dongo - dans la Chartreuse de Parme - de la bataille de Waterloo à laquelle il participe et à laquelle il ne comprend rien tant son observation est parcellaire).
Tout ce que je viens de dire ne me semble nullement contradictoire avec l'analyse des éthologues. Lorenz, par exemple, se contente de souligner qu'il existe chez tout individu des seuils d'activation à partir desquels une agression peut être déclenchée (ou dans le cas d'un conflit interhumain une "adhésion" à l'agression collective) et que cela relève en partie de la génétique. L'agression, individuelle ou collective, est probablement un moyen trouvé par l'Evolution pour permettre l'expression de la pression de sélection, seule à même d'assurer l'adaptation d'une espèce. Il n'y a rien là de bien nouveau. Ce qui est plus novateur, me semble-t-il, c'est de dire que ces réactions ne sont plus en rapport avec les dégâts entrainés du fait de l'avancée de la technologie. L'homme possède un cerveau  - notamment le paléocortex ou cerveau reptilien -  qui réagit encore en fonction de situations très anciennes datant d'un temps où il n'était qu'une créature plutôt faible (on sait à présent que nos ancêtres du paléolithique étaient plus des charognards que des chasseurs à l'image gratifiante). De ce fait, la possibilité de destruction d'une agression est sans commune mesure avec ce qu'elle fut par le passé. Surtout, la distanciation que l'homme moderne ressent par rapport aux conséquences de ses actes agressifs n'active plus vraiment les mécanismes inhibiteurs qu'il possède (des mécanismes inhibiteurs d'ailleurs moins développés, comme le souligne Lorenz, que ceux des grands carnivores puisque l'homme est avant tout un omnivore).
     Il s'agit en somme de deux approches parfaitement complémentaires, tout aussi logiques l'une que l'autre. Je reste persuadé que les actions humaines peuvent parfaitement s'expliquer mais que nombre d'entre elles nous sont encore mal connues. L'éthologie nous apprend ici que les comportements ne s'appuient pas seulement sur des situations bien précises et parfaitement avérées mais également sur des comportements liés à notre héritage biologique. Intéressant, non ?
     Enfin, dans ta dernière phrase, tu fais allusion au hasard, notamment en science. Il y aurait beaucoup à en dire mais il s'agit là d'un autre sujet. On peut néanmoins se poser la question suivante : le hasard n'est-il pas, au fond, que la somme de ce que nous ne pouvons ou ne savons pas décrypter ? L'Evolution, par exemple, avance "au hasard", certes, c'est à dire sans but prédéfini, mais si l'on connaissait TOUS les intervenants physicochimiques en jeu, ne pourrait-on pas prévoir cette évolution ? Vaste (et vieux) sujet...
 

Sujet : une illustration de l’agression

Le 20 janvier 2008 (par cepheides)

     Voici une anecdote qui va dans le sens de ce qu'écrit Lorenz. Mon ex-femme habite l'Ile de la Réunion et, comme elle a un grand jardin, elle possède 7 teckels des deux sexes. Justement, une des femelles est actuellement en chaleur et, avant-hier, le 18 janvier, le petit chien de ses voisins, attiré par l'odeur de la chienne en chasse, a réussi à pénétrer dans la propriété pourtant bien fermée. Il a immédiatement été attaqué par les teckels mâles. Cela a été plutôt difficile de séparer les protagonistes mais le petit chien a été finalement rendu à ses maîtres. Malheureusement, il est mort quelques heures plus tard de ses blessures... Ce qui m'amène faire deux remarques :
          1. les animaux en groupe - ici en meute - sont toujours plus violents sur un ennemi isolé : celui-ci ne peut pas montrer à tous ses attaquants en même temps sa soumission;
          2. dans un espace clos, la fuite est impossible et, comme le souligne Lorenz, cela se termine le plus souvent par la mort du plus faible. C'est d'ailleurs tout le problème des animaux en captivité.
     Les lois de la Nature sont immuables. Pourquoi ce qui est vrai pour tous les animaux ne le serait-il pas (au moins encore un peu) pour l'Homme ?
 

Sujet :  quelques références en éthologie

Le 20 janvier 2008 (par keno)

     Lectrice régulière de votre blog, j'admets être tout particulièrement intéressée par le sujet que vous abordez.
     Je pense qu'il est bien difficile de faire la part de ce qui est inhérent à la nature humaine.
     J'aimerais avoir plus d'informations. Pourriez vous m'indiquer quelques auteurs qui ont traité du sujet
     Merci d'avance.

Réponse (par cepheides)

     L'éthologie est une science complexe qui ne traite pas (loin s'en faut) du seul problème des comportements humains tels qu'on peut les déduire de l'observation animale  :  si vous souhaitez aborder cette discipline sans recourir d'emblée à des ouvrages trop spécialisés, je ne saurais trop vous recommander l'excellent petit livre de vulgarisation écrit par Lorenz  (ce scientifique fut le vrai codécouvreur de cette discipline et il est donc compréhensible de le retrouver ici un peu partout)  dont le titre est  "Il parlait avec les mammifères, les oiseaux et les poissons", (Paris, Flammarion, 1968), paru également en livre de poche (dans la collection "j'ai lu" si j'ai bonne mémoire). Pour le sujet plus ciblé qui semble vous intéresser, ce même Lorenz a écrit un livre dans lequel il nous fait part de toute la méfiance que lui inspire l'avenir des sociétés humaines (il fut également un authentique "écologiste" avant l'heure). Son titre est : "l'Homme en péril ou la destruction de l'humain", paru chez Flammarion en 1985. Il existe bien sûr de nombreux travaux d'éthologie qu'il est facile d'identifier avec Internet sur les sites dédiés. En revanche, j'attire votre attention sur les méfaits de la médiatisation ambiante  :  on y cite souvent des auteurs comme, par exemple, Boris Cyrulnik, excellent au demeurant, mais qui est à mes yeux plus un psychiatre de tendance analytique qu'un véritable éthologiste. Il convient donc d'être vigilant sur ce que l'on appelle l'éthologie... Je vous souhaite une excellente lecture de ces ouvrages.

     Ce qu'il y a d'extraordinaire avec ces nouveaux moteurs d'indexation, c'est qu'ils peuvent scruter votre disque dur et y retrouver des documents que l'on avait totalement oubliés. Récemment, dans l'idée de rédiger un nouveau sujet et cherchant ce que j'avais bien pu écrire sur les mécanismes de l'Evolution, je suis tombé sur un de mes anciens courriers échangé en 1993 avec la revue « Valeurs actuelles ». Je me fais un plaisir de reproduire ces quelques lignes, preuve que le combat mené contre les obscurantistes de tout poil ne date – hélas – pas d'aujourd'hui...

13 novembre 1993

                                              

     C'est d'ailleurs    toute la grandeur de la connaissance scintifique, un des rares domaines où l'objectivité reste totale. Remise en cause permanente des acquis, réexamen constant des résultats, certes. Il n'en reste pas moins que de grandes assurances demeurent parce qu'incontournables et mille fois démontrées : qui se risquerait à nier la gravitation universelle, même reprécisée par la Relativité Générale d'Einstein ? Il est ainsi de grandes certitudes : l'évolutionnisme est l'une d'entre elles au même titre que nous savons maintenant que la Terre n'est pas plate. Le nier est absurde. Seuls les néocréationnistes (essentiellement d'origine américaine) le font pour des raisons religieuses qui n'ont ici rien à voir avec la Science. Je veux croire que tel n'est pas le but avoué de votre lecteur dont l'exemple (la souris et le Boeing) est des plus farfelus (confusion entre la matière inerte et la matière organique, par essence évolutive) et ne tient absolument pas compte de la pression de sélection exercée sur une durée inimaginable pour l'esprit humain, à savoir des centaines de millions d'années.
     En matière scientifique, la discussion est nécessaire et indispensable mais à la condition toutefois de ne pas constamment remettre en question les acquis solides et bien démontrés. Nous n'en sommes plus, que Diable !, au temps où l'on croyait que les étoiles n'étaient que des pierres précieuses accrochées sur une sphère extérieure tournant autour de la Terre ...
    Voilà, Monsieur, les quelques réflexions que m'ont inspiré l'étrange lettre de votre correspondant et je souhaitais vous en faire part.
     Je profite de ce courrier pour vous féliciter de l'excellence de votre publication et vous prie de croire en l'expression de mes sentiments sincères.