astronomie

     Après avoir publié son article sur la relativité restreinte en 1905, Albert Einstein récidiva dix ans plus tard en étendant ses équations à l’ensemble de l’Univers (voir sujet : théorie de la relativité générale). Dès lors, le cosmos qui nous entoure devenait intelligible. C’était une véritable révolution d’autant qu’il faut se rappeler que, à l’époque où il fit part de sa théorie, notre « Univers » se cantonnait pour les scientifiques à la seule Voie lactée, notre galaxie, puisque l’on croyait que rien n’existait en dehors d’elle… Il faudra en effet attendre les travaux de Hubble (basés sur ceux d’Henrietta Leavitt à propos des étoiles céphéides) en 1925 pour comprendre que l’Univers est beaucoup, beaucoup plus vaste puisque des galaxies comme la nôtre, il en existe des milliards…

      Les scientifiques découvraient donc un Univers immense, peut-être infini, où la gravitation – grâce à Einstein – devenait enfin compréhensible. Toutefois, cet extraordinaire génie croyait à un univers statique, homogène et isotrope. Évoquons tout d’abord les deux derniers termes : ceux-ci veulent dire que quels que soient la direction et l’éloignement observés, la structure de l’Univers reste la même et que les vitesses (dites de récession par rapport à nous) des objets qu’il contient (à l’exception de notre « groupe local » décrit dans le sujet précédent) sont identiques quel que soit l’endroit où a lieu l’observation. Ce qui fut effectivement confirmé. Toutefois, pour des raisons restées plutôt mystérieuses (philosophiques ? Religieuses ?), Einstein avait conclu à un univers statique et fini, c'est-à-dire toujours de la même taille. Pour cela, compte tenu de ses calculs, il lui fallait ajouter une force susceptible de s’opposer à la gravitation (qui attire les objets entre eux), en l’occurrence une force dite répulsive (qui, au contraire, éloignerait ces mêmes objets). Il la nomma « constante cosmologique » et l’introduisit dans ses équations. Cependant, pour que son modèle réponde effectivement à un Univers statique, il lui donna une valeur exactement égale à celle des forces de gravitation. On sait aujourd’hui que cette proposition est fausse. Einstein, par la suite, affirma que « ce fut la plus grande erreur de sa vie ». On lui pardonne aisément… d’autant que cette constante cosmologique revient actuellement en état de grâce (mais quelque peu différente) comme on va le voir par la suite.

Observation de l’expansion de l’Univers

     L’univers est donc plutôt en expansion mais en expansion comment ? En réalité, les scientifiques qui s’étaient attelés à la lourde tâche d’évaluer sa dynamique croyaient que son accroissement devait forcément se ralentir. Brian Schmidt, (prix Nobel en 2011 pour ses travaux entrepris avec son collègue Adam Riess) pensait comme la majorité des scientifiques d’alors que les forces de gravitation qui attirent les éléments massifs ne pouvaient que ralentir cette expansion. Leurs doutes portaient en réalité sur la question suivante : cette expansion bien que progressivement ralentie allait-elle être infinie ou bien le processus allait-il s’inverser pour aboutir à un repli sur lui-même en un décalque inversé du Big bang appelé Big crunch ?

      Leurs travaux portaient sur une variété bien particulière de supernovas (voir sujet : novas et supernovas) constituées à partir de naines blanches (voir sujet : mort d’une étoile). Ces naines blanches sont des étoiles en fin de vie qui se contractent sous l’effet de la gravitation jusqu’à atteindre la taille d’une simple planète mais, fait remarquable, lorsque leur masse est voisine de 1,4 fois celle du Soleil, elles explosent en quelques secondes en produisant une réaction thermonucléaire gigantesque (supernova) extraordinairement lumineuse et visible de fort loin… Or ces explosions sont toujours identiques quelles que soient les distances d’où on les voit : ce sont de véritables témoins éparpillés dans le cosmos dont on peut calculer la distance… et permettre ainsi l’évaluation de l’expansion de l’Univers dans son ensemble.

     Schmidt fit donc ses calculs… les refit et les refit encore avec toujours le même résultat, incroyable pour l’époque : non seulement la vitesse d’expansion de l’Univers n’allait pas en ralentissant mais, bien au contraire, s’accélérait sans cesse. Énorme émoi dans le Landerneau astronomique pour une raison évidente : si les forces de gravitation n’arrivent pas à ralentir comme prévu cette expansion, c’est que « quelque chose », une force répulsive, les contrecarre. Mais quoi ?

Matière noire et énergie sombre

     En définitive, il existe bien une « constante cosmologique » mais un peu différente de celle imaginée par Einstein puisqu’elle s’oppose si bien aux forces gravitationnelles qu’elle en augmente la vitesse d’expansion totale de l’Univers. Cette mystérieuse force, à ce jour encore inconnue, représente environ 73% de l’énergie de l’Univers. Puisqu’on n’en connaît pas encore la nature, on l’a appelée énergie sombre (voir le sujet : matière noire et énergie sombre). Les éventuels candidats responsables de cette forme particulière (et dominante) d’énergie ont été passés au crible mais sans que l’un quelconque d’entre eux n’emporte la conviction. Bref, on ne sait toujours pas ce qu’il en est. Une chose est sûre : le fait que la seule matière connue (celle dont sont composés nos galaxies et tous les objets observables) ne représente que 4% de l’ensemble (pour 23% de matière noire et 73% d’énergie sombre) ne peut que nous laisser sur notre faim…

Nouvelles méthodes d’évaluation de l’expansion de l’Univers

     On a vu que la principale méthode d’étude de cette expansion (et donc le moyen d’évaluer directement l’action de l’énergie sombre) est celle qui concerne les supernovas. D’autres preuves indirectes existent se fondant notamment sur la mesure du fonds diffus cosmologique (voir le sujet : fonds diffus cosmologique), c'est-à-dire l’étude de la carte résultant du tout premier rayonnement de l’Univers, vers 380 000 ans après le Big bang. Que montre cette étude ? Que l’Univers possède une courbure liée à la gravitation qui est très faible. En d’autres termes, l’Univers est pratiquement plat ce qui n’est possible que si toute la matière qu’il contient (visible ou invisible comme la matière noire) représente environ 25%, l’énergie sombre s’inscrivant pour 75% du total. On retombe sur les chiffres donnés par la première méthode des supernovas…

     Très récemment, une autre approche a été tentée : la mesure des oscillations baryoniques, approche qui arrive au même résultat. De quoi s’agit-il cette fois-ci ? Il s’agit de mesurer les ondes sonores du tout jeune univers, un phénomène qui a dessiné de petites rides dans la répartition de la matière. Ces rides augmentent avec l’expansion à la manière de lignes qui s’étirent progressivement : on peut les mesurer à différentes époques et les résultats, assez précis, donnent la même réponse…

L’Univers est bien en expansion

     On peut donc retenir cette incontestable conclusion : l’Univers est en expansion et celle-ci s’accélère. De plus, nous ne connaissons vraiment que 4% des acteurs de cette expansion, les 96% restants nous étant donc encore inconnus. C’est le modèle cosmologique standard actuellement retenu par les scientifiques et il semble parfaitement cohérent.

    Les scientifiques poursuivent donc leurs études, d’autres techniques étant même exploitées : nouvelles mesures d’approche depuis le sol mais également à partir de plusieurs projets spatiaux. Elles ne feront probablement que confirmer ce que l’on sait déjà mais expliqueront-elles pour autant ce que sont ces fameuses forces inconnues ?

L’énergie sombre est la clé de l’explication

      On ne sait pas ce d’où provient cette énergie, nous l’avons déjà dit, mais il est quasi certain qu’elle existe bien. Quelle est son action réelle ? Certaines observations semblent indiquer que l’expansion de l’Univers se serait accélérée il y a 6 milliards d’années (satellite Chandra en 2004) tandis que – rien n’est jamais simple – d’autres prétendent le contraire (satellite européen XMM-Newton). Il faudra donc encore attendre sur ce point.

     Aux yeux de certains, cette question pourrait paraître anecdotique : il n’en est rien car, selon la réponse, trois scénarios peuvent être retenus pour l’avenir de l’Univers dans lequel nous vivons :

. si l’énergie sombre continue à dominer les forces de gravitation, l’expansion s’accélérera et les objets lointains qui ne sont pas liés par les forces de gravitation continueront à s’éloigner les uns des autres à grande vitesse. En pareil cas, d’immenses parties de l’Univers actuellement encore visibles disparaitront de notre champ de vision ce qui rétrécira considérablement nos possibilités d’observation. On peut également penser que l’énergie sombre continuant d’augmenter avec le temps, toute la matière de l’Univers finira par se diluer jusqu’au dernier de ses atomes, laissant un Univers vide et infini : on appelle ce modèle le « Big Rip » ;

. si la densité de l’énergie sombre n’augmente pas (ou très peu) tout restera à peu près en l’état. Notre Galaxie restera la même tandis que tous les autres amas galactiques s’éloigneront constamment ;

. enfin l’énergie sombre peut finir par se diluer avec le temps et même peut-être s’inverser. Les forces gravitationnelles pourraient alors reprendre le dessus et provoquer la contraction de l’Univers pour arriver au Big crunch déjà évoqué, en une sorte de gigantesque balancier cosmique. En l’état actuel de nos connaissances, c’est le scénario le moins probable.

     Il reste donc bien des inconnues et de nombreuses interrogations. Il est certain que connaître la nature exacte de l’énergie sombre permettrait aux chercheurs de se faire une idée plus précise de l’avenir prévisible à très long terme. La solution de cette énigme est peut-être toute proche ou, au contraire, totalement hors de notre portée (comme c’est précis !). Nul ne le sait aujourd’hui. Consolons-nous en nous disant que, en moins d’un siècle, l’astronomie a fait d’extraordinaires progrès dans la compréhension de l’endroit parfois si étrange où nous vivons, même si ces nouvelles et remarquables connaissances posent souvent autant de questions qu’elles ne nous donnent de réponses…

Sources :

. la Recherche, n° 466, juillet-août 2012

. Wikipedia France

Images

1. que sont matière noire et énergie sombre ? (sources : lhcvhm.e-monsite.com)

2. l'amas Abell 1689 (sources : futura-sciences.com)

3. Brian Schmidt (sources : fr.wikipedia.org/wiki/Brian_P._Schmidt) 

4. répartition des acteurs de l'Univers (source : thescientist.over-blog.net)

5. fonds diffus cosmologique (source : aither06.free.fr)

6. le Big rip (sources : www.leonardoscienze.it)

(pour en lire les légendes, passer le pointeur de la souris sur les illustrations)

Mots-clés : relativité générale - Edwin Hubble - céphéides - constante cosmologique - Brian Schmidt - supernova - naine blanche - matière noire - énergie sombre - fonds diffus cosmologique - Big bang - modèle cosmologique standard - Big rip - Big crunch

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

Brève : quelle est la taille de l'Univers ?

   La réponse à cette question est on ne peut plus simple : les cosmologistes n'en ont pas la moindre idée ! Ce qui peut sembler étonnant dans la mesure où la théorie de la relativité générale permet de décrire l'évolution de l'Univers entier depuis sa naissance. Sauf que la théorie est peu diserte en ce qui concerne les propriétés géométriques du cosmos. Même nourrie des observations les plus précises, elle n'est fianalement capable de se prononcer que sur une chose : la courbure de l'Univers, qui serait nulle. Ce qui veut simplement dire que si l'on prend trois points de l'espace-temps, on obtient un objet plat - un triangle, et non une pyramide.

   Cette donnée ne suffit pas à déterminer la taille de l'Univers qui, selon les lois de la topologie (l'étude des déformations spatiales), pourrait aussi bien être finie qu'infinie. Sachant que, d'après la théorie de l'inflation qui complète depuis 30 ans le modèle du Big bang, le cosmos aurait connu une période d'expansion brutale dans ses premiers instants et pourrait être devenu aujourd'hui infiniment grand.

   Au sein de ce cosmos aux frontières si floues, il existe une "bulle" dont la taille est toutefois connue : l'Univers observable. Soit sa partie visible qui englobe tous les points de l'espace sufisamment proches de nous pour avoir eu le temps de nous faire parvenir leur lumière.

Les confins du cosmos ne cessent de s'éloigner

   Pour mesurer sa taille, faisons un rapide calcul. Aucune particule de lumière n'a pu voyager plus longtemps que l'âge de l'Univers (estimé à 13,8 milliards d'années), et celles qui ont voyagé tout ce temps avant de nous parvenir proviennent fatalement des régions les plus lointaines que nous puissions voir de puis la Terre. La taille de cet univers observable est donc de 13,8 milliards d'années-lumière, serait-on tenté de répondre... Pas si simple. Car à cause du phénomène d'expansion de l'Univers, le lieu d'origine de ce particules s'est éloigné de nous en même temps que ces dernières se propageaient dans notre direction. D'après le modèle cosmologique en vigueur, ses confins se situeraient en fait aujourd'hui à 45 milliards d'années-lumères, faisant de l'Univers observable une sphère centrée sur la Terre de 45 milliards d'années-lumière de rayon - soit 450 000 milliards de milliards de kilomètres.

   Mais la taille de cette partie visible, pas plus que les observations au sein de cette gignatesque sphère cosmique, ne renseigne sur les proportions de l'ensemble, ni sur l'existence d'une éventuelle frontière... La taille de l'Univers pris dans son intégralité va donc bien au delà. Aussi floue soit-elle, c'est la réponse la plus précise qu'il est aujourd'hui possible d'apporter à cette vielle interrogation. M.G

(revue Science & Vie, 1157, février 2014)

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  mise à jour : 12 mars 2023

     Dans l’Univers observable, au plus loin que peuvent porter nos instruments, gravitent des milliards de galaxies, chacune renfermant des centaines de milliards d’étoiles. Toutefois, ces énormes objets ne sont pas distribués au hasard : les galaxies sont regroupées en amas qui peuvent en contenir de quelques dizaines à quelques centaines, amas eux-mêmes rassemblés en « superamas » dont la distribution est régulière le long de gigantesques filaments galactiques. On pense que cet agencement assez régulier est la conséquence directe du début de l’expansion de l’Univers, immédiatement après le Big bang. Bien que séparées par des distances inconcevables pour l’esprit humain, est-il possible que certaines des ces immenses structures puissent se rencontrer et, en pareil cas, que pourrait-il bien se passer ?

Espaces galactiques

     Comme l’a démontré Einstein avec la théorie de la relativité générale, la force qui lie les milliards d’étoiles dans ces vastes ensembles que l’on appelle galaxies est la gravitation, dite justement universelle. Cette gravitation permet en effet aux différents astres d’exercer des attractions réciproques les uns sur les autres et donc de les lier… A plus grande échelle, les galaxies, elles-aussi, sont concernées par cette force de gravitation… à la condition toutefois qu’elles ne soient pas trop éloignées entre elles ce qui est le cas de celles qui peuplent les mêmes amas.

* les amas galactiques : dans chacune de ces structures, les galaxies sont suffisamment proches (tout est relatif) pour s’attirer mutuellement. En revanche, les amas sont trop éloignés les uns des autres pour que la force de gravitation puisse s’exercer et, de ce fait, en raison de l’expansion générale de l’Univers, ils s’éloignent dans toutes les directions (un peu à la manière d’une éponge géante qui gonflerait). On peut visualiser cela facilement dans notre propre amas galactique grâce à l’effet Doppler qui montre que toutes les galaxies ont leurs spectres lumineux décalés vers le rouge (Redshift), et donc s’éloignent de nous, à la notable exception de celles qui se trouvent dans notre amas et qui se rapprochent (décalage de leurs spectres vers le bleu). C’est ce qu’observa Edwin Hubble en 1923 : il fut le premier à en conclure que la plupart des galaxies s’éloignent de nous et ce d’autant plus vite qu’elles sont plus lointaines. Pour un observateur situé sur Terre, l’exception concerne donc notre propre amas galactique, le groupe dit « local ».

* le groupe local : on appelle ainsi l’amas de galaxies qui abrite la Voie lactée ainsi qu’une soixantaine d’autres galaxies de tailles et de formes variables. En fait, dans notre amas, la Voie lactée partage la vedette avec sa grande voisine, la galaxie d’Andromède (M31). Ces deux objets se ressemblent : toutes deux sont des galaxies spirales (voir le sujet : les galaxies) mais Andromède est plus grosse (autour de 1000 milliards d’étoiles contre « seulement » 200 milliards environ à la Voie lactée) et donc plus étendue dans l’espace avec forcément une densité stellaire plus importante. Pourtant, contrairement à ce que l’on aurait pu penser, la Voie lactée semble plus massive et cela s’expliquerait par le fait qu’elle renfermerait une plus grande quantité de matière noire (voir : matière noire et énergie sombre). Autre différence, notre galaxie crée plus d’étoiles que sa voisine, peut-être 3 à 5 fois plus. Quoi qu’il en soit, ces deux géantes sont semblables et entourées de galaxies de taille plus petites… qu’elles ont tendance à attirer et donc à absorber !

Galaxies cannibales

     On a longtemps pensé que le « cannibalisme » galactique – c'est-à-dire l’absorption d’une galaxie par une autre -  était un phénomène relativement rare. La qualité de nos instruments grandissant et les observations devenant forcément plus pointues, on s’est rendu compte que cela n’était pas le cas. Des galaxies lointaines ayant fusionné dans le passé, on en trouve bien des exemples. Toutefois, plus près de nous (dans le temps et dans l’espace), les observations ont montré qu’il en était de même pour Andromède… mais aussi, comme on le verra, pour notre propre galaxie.

* la galaxie d’Andromède M31 (autrefois improprement appelée "grande nébuleuse d’Andromède") est cette superbe galaxie spirale que l’on peut observer avec des jumelles sous la forme d’une tache diffuse dans la constellation du même nom mais qui révèle toute sa splendeur au travers de la lentille d'un télescope. Une vingtaine de galaxies naines orbitent autour de cette géante, deux d’entre elles étant clairement visibles (la galaxie du Triangle et M110). Près de 500 amas globulaires, c'est-à-dire des groupes d’étoiles pouvant renfermer d’une centaine de milliers à un million d’étoiles (voir le sujet : amas globulaires et traînards bleus) sont également satellites d’Andromède. Il s’agit de formations probablement nées en même temps que la galaxie principale car elles sont riches en étoiles anciennes. Peu à peu, par l’effet des « forces de marée » (gravitation), ces structures sont absorbées par la géante... Il en est – ou en sera - de même des galaxies satellites. Les scientifiques utilisant le télescope de La Palma (Canaries) ont d’ailleurs récemment pu mettre en évidence l’absorption de deux petites galaxies par Andromède : c’est bien ce que d’aucuns appellent le cannibalisme galactique. Et c’est une preuve supplémentaire du fait que les grosses galaxies se sont formées par l’agglomération de structures plus petites, un phénomène somme toute banal qui, comme on va le voir, concerne également notre propre galaxie.

* la Voie lactée – que l’on appelle aussi « la Galaxie » (avec un G majuscule) car c’est la nôtre – est plus difficile à observer puisque, par définition, le système solaire se situe en son sein. En l’absence de toute pollution lumineuse, elle n’est partiellement visible que sous l’aspect d’une forme claire, une tache laiteuse - d’où son nom -  mais on sait que sa structure est celle d’une galaxie spirale classique (voir le sujet : place du Soleil dans la Galaxie). Comme pour sa grande voisine, la Voie lactée est également entourée de galaxies naines satellites, respectivement pour les plus importantes : la galaxie du Grand Chien (à 42 000 années-lumière - ou al - du centre galactique), la galaxie du Sagittaire (à 80 000 al), le Grand Nuage de Magellan (à 180 000 al) et le Petit Nuage de Magellan (210 000 al).

     La plupart du temps, les galaxies satellites « phagocytées » par la galaxie principale ne le sont pas directement car elles sont en réalité progressivement dilacérées. En 1938, déjà, une galaxie naine avait été découverte par l’astronome Shapley dans la constellation du Fourneau, son cœur encore repérable bien qu’elle ait été intégrée depuis longtemps à la Voie lactée. De la même façon, il y a une quinzaine d’années, les scientifiques ont pu observer, cachée derrière les étoiles du bulbe de la Voie lactée, la dislocation en cours de la galaxie du Sagittaire. Enfin, il y a peu (2003), c’était au tour d’une galaxie naine dans la constellation du Grand Chien. Cette structure – qui contient environ un milliard d’étoiles – est fortement tailladée par les forces de marée de la Voie lactée au point que son cœur est considérablement délabré tandis qu’une longue traînée de ses étoiles (appelée anneau de la Licorne) fait trois fois le tour de son prédateur…

     On le voit, l’activité d’absorption de notre galaxie est importante… d’autant qu’il est difficile de repérer les restes des galaxies satellites absorbées par le passé puisque, étirées par les formidables force gravitationnelles émises par elle, ces galaxies n’ont plus rien de l’aspect sphéroïdal de leur origine.

     Au total, c’est près de 10 galaxies naines proches de la Voie lactée qui ont été ou sont en cours d’absorption. Même les Nuages de Magellan, galaxies irrégulières plus lointaines, sont concernés et laissent continuellement certaines de leurs étoiles se faire capter par leur immense voisine.

     L’espace entre les étoiles est colossal : la lumière met, par exemple, plus de quatre ans pour provenir de notre plus proche voisine, la naine rouge, Proxima du Centaure. De ce fait lorsque, attiré par une galaxie plus grosse, un groupe d’étoiles arrive au contact, la probabilité d’une rencontre stellaire est voisine de zéro. Aucun risque de collision ! Il n’en est bien sûr pas de même pour les gaz interstellaires qui s’étendent sur des espaces immenses : leur échauffement par leur densification et les forces gravitationnelles permet la formation de véritables pépinières de nouvelles étoiles et c’est même un des mécanismes principaux de ces naissances.

     Suite à ces absorptions successives, il semble que 10% des étoiles qui peuplent notre Galaxie soient des « immigrées », c'est-à-dire secondairement intégrées à l’ensemble par cannibalisme galactique. On peut citer, à titre d’exemple, Arcturus, la plus brillante étoile de la constellation du Bouvier, très facilement repérable dans le ciel de nos nuits, et qui semble bien provenir du Grand nuage de Magellan…

 Avenir des galaxies

     Le remaniement de la composition des grandes galaxies est constant : des étoiles s’y créent continuellement, notamment lors de l’absorption d’objets stellaires satellites qui apportent déjà eux-mêmes leurs propres étoiles. Est-ce à dire que le devenir des grandes galaxies d’un amas comme le nôtre est d’aboutir au bout du compte à la formation d’une seule et immense galaxie géante ? C’est le scénario le plus probable quoique que, comme on l’a déjà vu (voir le sujet : les premières galaxies), tout n’est pas encore très clair. Une chose est sûre : si les forces de gravitation au sein d’un même amas ne sont pas contrebalancées par un mécanisme encore à découvrir, les galaxies qui y résident finiront par se rencontrer et ne plus former qu’une seule. C’est d’ailleurs bien ce que nous indiquent les instruments pour notre groupe local. On a déjà expliqué que les spectres lumineux de ses galaxies étaient déviés vers le bleu (blueshift) ce qui sous-entend qu’elles se rapprochent de nous (ou nous d’elles). C’est bien le cas d’Andromède.

     La galaxie géante Andromède est située à environ 2,5 millions d’al de la Voie lactée ce qui reste une distance considérable. Toutefois, elle se rapproche à la vitesse de 300 km/seconde : les calculs nous montrent que le choc entre ces deux géantes se fera dans environ 3 milliards d’années sans qu’il y ait, répétons-le, sauf de façon rarissime, de collisions stellaires. La résultante en sera une galaxie elliptique géante, ultime recomposition de notre amas local. Dans ce futur si lointain que les Hommes ne le verront pas, les ciels seront sans doute extraordinaires : la tache, presque invisible aujourd’hui, d’Andromède occupera tout le ciel avec ses milliards d’étoiles susceptibles de se mélanger progressivement à ceux de notre Galaxie…

Et après ?

     Si, comme cela est probable, chaque amas galactique n’est plus occupé que par une supergalaxie, ceux-ci continueront certainement à s’éloigner les uns des autres au rythme de l’expansion de l’Univers… jusqu’à ce qu’au bout du temps la matière finisse par se dissoudre dans l’incommensurable espace glacé constamment créé. A moins qu’un mécanisme encore non détecté vienne s’opposer à cette fuite sans fin, inversant par exemple le processus jusqu’à réduire l’Univers en un « Big crunch », analogue inversé du Big bang…

     J’aurai l’occasion de revenir sur ce que l’on sait de l’expansion actuelle de l’Univers (et surtout sur ce que l’on ignore) et le rôle de la matière noire (si elle existe vraiment) dans un prochain sujet (voir le sujet : l'expansion de l'Univers).

 Images

 1. fusion galactique (sources :  hubblesite.org in www.astronoo.com)

2. filaments cosmiques (sources : casca.ca)

3. notre groupe galactique local (sources : atunivers.free.fr)

4. la grande galaxie M31 Andromède (sources : presencenet.be)

5. coeur de notre Galaxie (sources : sergebrunier.com) 

6. Voie lactée, galaxie du Grand Chien et anneau de la Licorne (sources : www.cosmovisions.com/NaineCMa.htm)  

7. fusion de galaxies (sources : hubblesite.org/gallery)  

 (pour en lire les légendes, passer le pointeur de la souris sur les illustrations)

Mots-clés : galaxies - amas galactiques - superamas - relativité générale - filaments galactiques - effet Doppler/Fizeau - décalage vers le rouge (redshift) - Edwin Hubble - M31 Andromède - matière noire - amas globulaires - Voie lactée - nuages de Magellan - Big crunch

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

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4. place du Soleil dans la Galaxie

5. matière noire et énergie sombre

6. amas globulaires et traînards bleus

7. juste après le Big bang

8. la Terre, centre du Monde

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mise à jour : 12 mars 2023

     Le 28 mars 1949, l’astronome anglais de grand renom qu’était Fred Hoyle (1915-2001) s’exprima à la BBC pour fustiger les scientifiques qui pensaient - en se référant aux travaux de l’abbé Lemaitre et du soviétique Alexandre Friedmann évoquant un « noyau originel » - que l’Univers était dynamique. Hoyle, quant à lui, était convaincu que l’Univers était « stationnaire », c'est-à-dire en équilibre parfait, autant de galaxies naissant que disparaissant. Pour qualifier le grotesque supposé de ses contradicteurs, il ironisa (ce qu’il a par la suite toujours nié) sur ce qu’il nomma le « Big bang ». Il ne se doutait certainement pas du succès futur de son appellation...

     Aujourd’hui, il est peu d’esprits qui remettent en cause ce fameux Big bang, essentiellement parce que des preuves tangibles de sa validité ont été mises en évidence : notamment la réalité de l’expansion de l’Univers ainsi que la photographie du fonds diffus cosmologique, dernières traces de ce début explosif. Dans un sujet précédent, j’avais cherché à résumer les instants ayant immédiatement succédé à cette explosion de départ (qui, stricto sensu, n’en est d’ailleurs pas une). La science progressant sans cesse, il est à présent possible d’aller un peu plus loin… ou, pour être plus précis, un peu plus avant.

Retour sur le Big bang

     On trouvera une description plus complète de la théorie dans le sujet qui lui est consacré (voir : Big bang et origine de l’Univers) mais il semble ici utile de revenir sur l’essentiel du processus.

     Il y a 13,7 milliards d’années, l’Univers était bien différent : réduit à un point minuscule, il était formidablement dense, chaud et homogène. Cet Univers entra alors dans une phase d’expansion dite explosive ce qui a conduit à une baisse progressive de sa chaleur et de sa densité. Du coup, la matière homogène du début s’est dispersée en se structurant en galaxies riches d’étoiles pour aboutir à ce que nous en savons aujourd’hui. Notons que cette approche théorique ne fut possible que grâce à l’énoncé par Einstein de la théorie de la relativité générale (voir : théorie de la relativité générale) qui postule que l’espace, le temps, la matière et l’énergie sont parfaitement liés : avant ce grand scientifique, il était en effet impossible de considérer l’Univers dans sa totalité. Le Big Bang, une théorie séduisante, donc, car fortement explicative mais quelles en sont les preuves ?

     C’est Edwin Hubble (voir : Edwin Hubble, le découvreur) qui apporta une première réponse en observant les galaxies. Outre le fait qu’il démontrait qu’il existait bien un vaste univers en dehors de notre Voie lactée, il prouva que les galaxies s’éloignent les unes des autres (à l’exception de celles qui sont trop proches et donc liées par la gravitation comme dans notre groupe local) à une vitesse d’autant plus élevée que leur distance est importante; il n’existe alors qu’une seule explication possible, c’est que l’Univers est bel et bien en expansion (et non pas stationnaire comme le pensait Hoyle). Aujourd’hui, d’ailleurs, nous savons que cette expansion n’est pas constante mais qu’elle va en s’accélérant. C’était évidemment un grand pas en avant mais il y eut plus.

     En 1965, on découvre par hasard le rayonnement fossile (voir : fonds diffus cosmologique). De quoi s’agit-il ? D’un « bruit de fond » homogène et perçu dans toutes les directions de l’Univers, vestige de son état dense et chaud du début. En 2003, cette rémanence fut même photographiée par un satellite de la NASA…

     Depuis lors, la théorie du Big bang correspond pour les scientifiques à un « modèle de concordance », c'est-à-dire qu’elle est cohérente avec toutes les observations astronomiques dont nous disposons.

Un mur théorique

     Pour comprendre le début, on remonte donc le temps. Au départ, pas de problème, l’Univers s’explique parfaitement par la Relativité générale. Le télescope spatial Hubble et son étude « Deep fields » (champs profonds) permettent de remonter très loin, jusqu’aux premières galaxies observables il y a presque 13 milliards d’années. On ira sans doute encore un peu plus loin (ou un peu plus vieux puisque observer les étoiles, c’est voir le passé) mais on se heurtera inéluctablement à un mur infranchissable : le fonds diffus cosmologique (ou rayonnement fossile) concernant les 380 000 premières années de l’Univers, une époque où la lumière ne diffusait pas encore… C’est ici que s’arrête l’astronomie observationnelle.

     Les équations, elles, permettent, comme on l’a déjà dit, de continuer notre exploration de ce passé si lointain… jusqu’à un certain point toutefois : la toute première seconde après le Big bang ou, pour être tout à fait précis, 10^-43 seconde après, un instant appelé le temps de Planck. Avant, eh bien, on peut rien dire et cela pour une raison simple : les équations sont muettes. Ou plutôt, elles sont ininterprétables puisqu’elles prévoient une température et une densité infinies alors que le temps a disparu : difficile à concevoir ! Cela ne peut signifier qu’une chose : notre outil mathématique n’est pas adapté. En effet, jusqu’à cette limite, on utilisait les équations de la Relativité générale mais, à 10^-43 seconde, l’Univers est si petit qu’il faudrait se servir des équations de la mécanique quantique or il existe un écueil de taille : relativité générale et physique quantique sont strictement incompatibles. De ce fait, on ne sait pas ce que pourrait être ce temps 0, ni même s’il existe. Les scientifiques parlent de « singularité » témoignant ainsi de notre incapacité à l’étudier. Est-ce à dire que le questionnement s’arrête là ? Eh bien, non, car, grâce à d’autres équations, on peut imaginer plusieurs scénarios possibles.

Avant le big bang : les scénarios possibles

     D’autres équations peuvent donc donner des pistes. Certes. Mais il convient au préalable de bien comprendre que ces savants calculs relèvent de la théorie car, jusqu’à présent, aucune preuve expérimentale ou observationnelle n’est allée dans un sens ou un autre, privilégiant, par exemple, une théorie plus que sa voisine. Nous sommes dans le domaine de la spéculation même si celle-ci s’appuie sur des chiffres… Cela dit, on peut avancer cinq hypothèses, évidemment incompatibles entre elles.

. une contraction de l’univers avant le Big bang

     Selon des chercheurs de l’Université de Pennsylvanie, aux USA, on peut parfaitement imaginer qu’avant le Big bang existait déjà un Univers qui se serait effondré sur lui-même en raison de la gravité. Ces scientifiques avancent que cet univers préexistant ayant atteint un certain seuil (une densité critique), il aurait tout bonnement rebondi sur lui-même pour donner naissance au Big bang. Les équations utilisées pour arriver à ce résultat ? La théorie quantique à boucles. En effet, cette dernière explique que lorsque la densité de l’Univers atteint mille milliards de masses solaires dans un espace de la taille d’un proton, la gravitation devient une force de répulsion (et non plus d’attirance) d’où « l’explosion » du noyau en question… Comme on le voit, on repousse les débuts vers un autre univers qui, lui-même, proviendrait probablement d’un autre : dans cette optique, l’Univers sous ses différentes formes aurait toujours existé…

. les branes

     Les scientifiques s’appuient ici sur la théorie des cordes à dix dimensions (voir le sujet : la théorie des cordes ou l'Univers repensé). L’espace-temps possèderait sept dimensions en plus des trois que l’on connaît. De ce fait, notre Univers ne serait qu’une sorte de feuillet à trois dimensions intercalé entre d’autres feuillets analogues, le tout inclus dans un univers bien plus vaste. On appelle ces feuillets (ou membranes) des « branes » d’où le nom de la théorie. Selon les équations utilisées ici, ces branes s’attirent jusqu’à se heurter et provoquer une gigantesque onde de choc dont l’énergie se change en rayonnement et en matière : le Big bang. Lorsqu’une brane s’éloigne d’une autre, elle ralentit mais l’inverse est également vrai : un rapprochement entraîne une accélération puis une contraction juste avant le choc. On comprend dès lors que l’accélération de l’expansion de notre Univers actuel pourrait signifier… une prochaine rencontre.

. la théorie des trous noirs

     Dans ce scénario, l’Univers est d’emblée éternel. Avant existait un « pré-Big bang » où la matière était extrêmement diluée. Celle-ci, peu à peu, a fini par s’agréger (à la manière du nôtre) pour former à certains endroits des trous noirs (voir : trous noirs). Les calculs se fondent, ici aussi, sur la théorie des cordes or que dit celle-ci ? Eh bien que dans chaque trou noir, la densité augmente progressivement jusqu’à atteindre un seuil à partir duquel la matière se « libère » dans un Big bang, prélude à une nouvelle expansion. Notre Univers ne serait donc que la partie interne d’un gigantesque trou noir…

. le temps infini sans espace

     Il s’agit ici d’un scénario extraordinaire s’appuyant sur une variante de la théorie des cordes : la gravité quantique à 11 dimensions. On a déjà évoqué le mur de Planck (avant 10^-43 seconde) : dans ce cas de figure, avant le mur, l’ensemble des paramètres de l’espace-temps classique disparaitrait, notamment l’espace, et ne resterait plus que le temps et plus on s’approcherait du point zéro, plus celui-ci s’étirerait… jusqu’à devenir infini, rendant toute approche du point initial impossible !

. les méta-univers

     C’est à Andrei Linde, dans les années 60 que l’on doit l’introduction dans le modèle standard du Big bang de la théorie de l’inflation. En effet, jusque là, un point paraissait impossible à théoriser. Le modèle stipule que notre Univers a environ 13,7 milliards d’années. Or, si l’on regarde dans les différentes directions, on contemple toujours un univers homogène, avec les mêmes galaxies, étoiles, etc., des objets ayant eu à l’évidence une origine commune. Comment cela serait-il possible puisque 13,7 milliards d’années dans un sens puis autant dans l’autre sens, cela fait près de 28 milliards d’années ? Linde suggère que, peu après le temps de Planck, l’Univers a subi une formidable expansion, dépassant la vitesse de la lumière, qui aurait décuplé son diamètre de 10³⁰ en quelques instants. Une donnée admise par l’ensemble des défenseurs du modèle standard.

     Ce qui est très intéressant, c’est que la théorie de l’inflation nous apprend aussi que l’Univers serait infiniment plus vaste que celui que nous observons puisqu’une grande partie de l’ensemble serait au-delà de la vitesse de la lumière. En d’autres termes, notre Univers ne serait qu’une toute petite partie d’un méta-univers… qui pourrait engendrer à tout moment de nouvelles phases d’inflation et autant de nouvelles « bulles » (comme la nôtre) dans un univers lui-même infini… Le Big bang ne serait donc qu’un détail dans une histoire sans limite de temps ou de volume.

L’avant-Big bang est-il réellement accessible ?

     Les équations donnent cinq pistes possibles pour tenter d’expliquer ce qui s’est passé avant le Big bang (et accessoirement le Big Bang lui-même). Est-ce à dire qu’il n’y en a pas d’autres ? Bien sûr que non. Dans un futur proche, d’autres tentatives seront certainement développées : aujourd’hui, j’ai seulement cherché à isoler celles qui paraissent les plus prometteuses.

     Pour terminer ce sujet, deux remarques me paraissent importantes à faire :

. ces théories – dont nous n’avons pas, je le rappelle, le moindre début de preuve objective – s’affranchissent toutes de la singularité, ce point zéro originel, en développant l’hypothèse qu’il préexiste bien quelque chose et nous renvoient à un univers infini et éternel. Des univers éternels ? Ces hypothèses ne pourraient-elles pas êtres suscitées par le fait que nos équations flirtent un peu trop avec « l’infini » et le néant mathématiques ? Si cela était le cas, cela pourrait simplement signifier que nos outils ne sont définitivement pas au point et qu’il reste à inventer la physique qui nous permettrait d’y voir plus clair…

. D’autre part, on peut se demander si l’on n'aura jamais des preuves objectives de telles constructions intellectuelles puisque, par définition, on ne peut pas observer quoi que ce soit au-delà du rayonnement fossile (et donc lors des 380 000 années de notre Univers). Sur ce point, les scientifiques sont finalement modérément optimistes. Certains d’entre eux pensent en effet qu’il sera peut-être possible de décrypter et d’interpréter les minuscules fluctuations observables sur le fonds diffus cosmologique. Regarder en quelque sorte les traces de ce qui s’est passé avant. Pour cela, il faudra attendre des cartes plus précises de ce rayonnement : c’est tout l’intérêt de la mise en service, cette année, du satellite Planck qui devrait nous fournir une carte bien plus précise que celle que nous possédons déjà. Et s’il nous apportait des informations primordiales (aux deux sens du terme) ?

 (Depuis la rédaction de ce texte, le satellite Planck a effectivement cartographié notre Univers : voir la brêve en annexe).

     On le voit, il reste bien des éléments à découvrir, bien des hypothèses à formuler, bien des données à vérifier et c’est ce qui fait, en ce domaine, tout l’intérêt des années à venir.

Brêve : le cliché du satellite Planck

     Entre juillet 2099 et janvier 2012, le satellite Planck, placé à 1,5 millions de km de la Terre, sur le point de Lagrange L2 (c'est à dire bien à l'abri des radiations solaires), a progressivement cartographié l'intégralité de la voûte céleste. L'image obtenue est la plus précise jamais réalisée du fonds diffus cosmologique, c'est à dire de l'origine de l'Univers. Epoustouflante de netteté et de détails, cette extraordinaire vue de la toute première apparition de la lumière dans le cosmos nous montre ce dernier tel qu'il était 380 000 ans après le Big bang. Ce cliché étant en cours d'exploitation par les scientifiques, nous aurons très certainement l'occasion de revenir sur ce qu'il nous apprend de nos débuts...

 Sources

. Wikipedia France (fr.wikipedia.org)

. Science & Vie, HS 256, septembre 2011 (www.science-et-vie.com/)

. Futura-Sciences (www.futura-sciences.com/)

Images

1. expansion de l'Univers depuis le Big bang (sources : newzilla.net)

2. Edwin Hubble (sources : astronomes.com)

3. fonds diffus cosmologique (sources : cougst.free.fr)

4. vue d'artiste d'un univers de gravitation à boucles (sources : larecherche.fr)

5.  vue d'artiste d'un univers à branes (sources : chethstudios.net)

6. vue d'artiste d'un méta-univers (sources : paperblog.fr)

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

Mots-clés : Fred Hoyle - abbé Lemaître - Alexandre Friedman - univers stationnaire - expansion de l'Univers - fonds diffus cosmologique - relativité générale - Edwin Hubble - deep fields - théorie de l'inflation - temps de Planck - mécanique quantique - singularité - théorie quantique à boucles - branes - théorie des cordes - trous noirs - gravité quantique à 11 dimensions - méta-univers

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

Sujets apparentés sur le blog

1. les étoiles primordiales

2. la théorie des cordes ou l'Univers repensé

3. Edwin HUBBLE, le découvreur

4. juste après le Big bang

5. les premières galaxies

6. Big Bang et origine de l'Univers

7. mécanique quantique

8. trous noirs

9. théorie de la relativité générale

10. fond diffus cosmologique

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 Mise à jour : 9 mars 2023

 Il est morne et taciturne.

Il préside aux choses du temps.

Il porte un joli nom, Saturne,

Mais c’est un dieu fort inquiétant (bis)

chantait Brassens. Le dieu Saturne est sans doute inquiétant puisqu’il régit le temps dont on sait qu’il dégrade toutes choses en ce bas-monde mais la planète qui porte son nom est magnifique, peut-être la plus belle de notre système solaire. C’est également une des plus mystérieuses puisque, jusqu’à il y a peu, on ne connaissait presque rien de ses anneaux ou de ses multiples satellites. Aujourd’hui, on en sait un peu plus.

Jadis

     Saturne est une des cinq planètes visibles à l’œil nu et est donc connue depuis l’antiquité et même – certaines représentations l’attestent – depuis la préhistoire. Sixième planète du système solaire, il faudra attendre le XVIIème siècle pour que soit menée une véritable observation de cet astre et c’est à Galilée que revint ce mérite. Le 25 juillet 1610, en effet, grâce à une des premières lunettes astronomiques qu’il avait lui-même construite, il tourna son regard vers Saturne, s’attendant à découvrir l’image d’une sphère flottant dans l’espace mais sa surprise fut immense : Saturne lui apparut sous la forme d’une planète « trijumelle », une sorte de visage possédant deux oreilles ! Il évoqua alors « deux serviteurs aux côtés du vieux Saturne pour lui permettre de tracer son chemin dans le ciel ». Il comprenait bien qu’il ne pouvait s’agir de satellites car il les aurait vu tourner autour de la planète et en conclut donc qu’il s’agissait de deux excroissances bizarres… Deux ans plus tard, reprenant son observation de l’astre, nouvelle énigme : les serviteurs avaient disparu ! Perplexité. On aura compris que le pauvre Galilée, avec sa lunette imparfaite, avait en réalité repéré les anneaux saturniens or on sait que ceux-ci se présentent tous les quinze ans par la tranche d’où leur apparente disparition dans son grossier instrument d’optique. Reprenant à son compte la vieille mythologie qui fait de Cronos (Saturne en grec), roi des Titans et père de Zeus, un dieu taciturne connu pour manger ses enfants qui pourraient le supplanter, il déclara alors tristement que « Saturne avait dévoré ses enfants »…

     C’est le Hollandais Huygens, presque cinquante ans plus tard (1655) qui apporte la solution avec sa nouvelle lunette astronomique : il s’agit bien d’un anneau (un seul connu à l’époque) « qui entoure la planète, n’adhérant en aucun point avec elle ». Il en profite pour décrire un satellite, Titan, le premier d’une longue série, dont on sait aujourd’hui qu’il est plus gros que la planète Mercure.

    On découvre un second anneau en 1675 (Cassini) mais on se perd en conjectures sur leur structure. Ce sont les sondes spatiales (notamment la sonde Cassini en 2004) qui apporteront vraiment des explications tangibles.

Saturne, une géante gazeuse

     Les planètes gazeuses de notre système sont au nombre de quatre, la plus grosse étant évidemment Jupiter suivie précisément de Saturne. On les oppose aux planètes telluriques comme la Terre qui, bien plus petites, sont « solides ». Ces géantes gazeuses sont, comme leur appellation l’indique, majoritairement composées de gaz (hydrogène et hélium essentiellement) entourant un petit noyau rocheux. Ce sont des planètes théoriquement légères mais leur grande quantité de gaz finit par peser au point que, par exemple, Saturne (dont le diamètre est neuf fois plus grand que celui de la Terre) est 95 fois plus massive que notre planète. Détail curieux : sa masse volumique moyenne est inférieure à celle de l’eau et s’il existait une piscine suffisamment grande pour la contenir, elle flotterait… Signalons enfin que, tournant sur elle-même en environ 10h40 min, la planète, de par sa composition légère, est sensiblement aplatie aux pôles et renflée à l’équateur.

     On a beaucoup écrit sur la formation de ces planètes gazeuses expliquant notamment qu’elles se constituèrent au tout début du système solaire en périphérie de celui-ci (c’est bien ce que l’on constate visuellement) mais nos certitudes sont actuellement remises en cause : la découverte de planètes géantes gazeuses extrasolaires très proches de leur étoile (parfois « tout contre ») ne colle plus avec ce schéma traditionnel.

     Quoi qu’il en soit, vues au travers de la lentille d’un télescope, ces planètes géantes sont superbes et Saturne – avec ses anneaux – d’une beauté à couper le souffle.

Les satellites saturniens

     Tout un petit monde de satellites resté longtemps ignoré gravite autour de notre géante. On a déjà évoqué Titan mais il en existe environ une soixantaine, leur nombre total n’étant pas encore définitivement fixé. Certains de ces astres gravitent entre Saturne et ses anneaux (on les appelle les satellites bergers), tandis que d’autres sont situés dans ou entre les anneaux, contribuant ainsi à créer une dynamique locale extrêmement complexe. Enfin, les derniers, dits externes, sont également les plus grands :

*  Titan est la plus grande lune du système avec un diamètre de 5151 km ce qui en fait la deuxième plus grande lune du système solaire derrière Ganymède (satellite de Jupiter). Cet astre est la seule lune de tout le système solaire qui possède une vraie atmosphère (d’azote). Composée essentiellement de roches et d’eau sous forme de glace, Titan est longtemps resté un grand mystère en raison précisément de son atmosphère qui cache sa surface. C’est la mission Cassini en 2004 qui a permis de la voir, cette surface : vaste étendue relativement lisse avec quelques montagnes et volcans gelés et surtout des milliers de lacs d’hydrocarbures (méthane). On a l’impression de voir là une sorte de Terre primitive mais en plus froid. Certains scientifiques suggèrent qu’un immense océan souterrain existe sur Titan, un lieu peut-être propice au développement d’une certaine forme de vie ;

* Rhéa est plus petite et son sol est constellé de cratères d’impacts rappelant une surface lunaire classique ;

* Hypérion, proche de Titan, est de forme assez irrégulière et sa rotation est si chaotique que l’on ne peut y distinguer ni pôles, ni équateur. Les cratères d’impact y sont particulièrement nombreux au point que sa surface fait penser à une pierre ponce ;

* Japhet, enfin, le satellite le plus éloigné de Saturne, intrigue par l’opposition de ses deux hémisphères, l’une étant très brillante alors que l’autre est particulièrement sombre.

     On ne peut s’empêcher de penser à l’immensité des réserves énergétiques présentes sur ces terres lointaines qui, un jour peut-être, permettront aux humains d’y trouver les ressources qui s’épuisent si rapidement sur notre globe.

Les anneaux de Saturne

     Depuis la fin du XVIIème siècle, on connaissait donc les anneaux de Saturne et on imaginait, avec Pierre-Simon de Laplace, qu’il s’agissait de structures minces et solides. Ce n’est qu’au XIXème siècle que Maxwell, le père de l’électromagnétisme, expliqua que cela était rigoureusement impossible : une telle structure ne pourrait être suffisamment stable et finirait par se briser. Et c’est ces dernières années, grâce aux sondes spatiales déjà évoquées, que le voile s’est levé : les anneaux de Saturne sont composés de blocs de glace de tailles variables et multiples.

       Il existe une dizaine d’anneaux autour de Saturne, entourant la planète en un diamètre de 135 000 à 1 000 000 de km. Composés à 99,9 % d’eau gelée et de quelques impuretés, ce sont sans doute les objets les plus fins du système solaire puisque pour un diamètre moyen de 300 000 km, ils ne font que de 10 à 100 m d’épaisseur. Les blocs de glace, quant à eux, mesurent de quelques cm à quelques mètres mais ils sont très proches les uns des autres, s‘agrégeant et se désintégrant continuellement au rythme de leur rotation autour la planète. Vu au travers des rayons du Soleil lointain, il doit s’agir d’un spectacle féérique (et dangereux) !

Origine des anneaux saturniens

      On a longtemps pensé qu’il s’agissait d’un phénomène récent, voire fugace. Camille Flammarion lui-même les examinait en notant leur évolution au fil de ses observations, s’attendant à chaque moment à contempler leur destruction et leur captation par la planète géante. Il aurait pu attendre longtemps car les dernières analyses ont démontré que ces anneaux étaient aussi anciens que Saturne elle-même, témoignant certainement de l’époque de la formation de l’ensemble du système.

     Les dernières observations de cet univers par les sondes permettent aujourd’hui d’avancer une hypothèse relativement crédible pour la formation de ces étranges objets. Il s’agit d’une histoire en trois temps :

*  Au tout début, Saturne est entourée de ce que l’on appelle un disque d’accrétion, c'est-à-dire d’une épaisse couche de matière prisonnière de la gravitation de la planète. Cette matière est en orbite autour de l’astre et se recompose en permanence : de nombreux satellites se forment mais, attirés par lui, ils finissent par se désintégrer à sa surface. Le temps passant, la quantité de matière diminue et ne subsistent finalement plus que quelques satellites fixés sur des orbites stables et une grosse planète de la taille de Titan bloquée, elle, sur une trajectoire descendante vers la géante.

* cette planète est composée d’un corps solide entouré d’une épaisse gangue de glace. Au fur et à mesure qu’elle tourne autour de Saturne en s’en rapprochant, elle subit de plein fouet l’attraction de son énorme compagne au point que son enveloppe glacée finit se disloquer : son noyau central tombe sur Saturne tandis que sa glace s’éparpille dans l’espace.

* la glace éparpillée s’étale tout autour de la planète en suivant la trajectoire initiale du satellite pour former un immense anneau bien plus important que celui que l’on voit aujourd’hui. Cette source de matière permet la naissance de la plupart des satellites actuels qui, eux, se sont éloignés de Saturne pour trouver des orbites stables.

    Ces phénomènes gigantesques se sont produits il y a des milliards d’années et ce que l’on peut voir aujourd’hui en est la résultante. Avec le temps, peu à peu, les anneaux continueront à se désagréger jusqu’à s’évaporer totalement… mais dans bien longtemps.

     On pourrait penser que les anneaux de Saturne représentent une exception dans notre univers. Il n’en est en fait rien. On sait aujourd’hui que les autres planètes géantes, Jupiter, Neptune et Uranus, possèdent également des ceintures d’anneaux quoique bien moins développées que leur homologue Saturne. Ils existent, ces anneaux, mais ils ont si minces qu’on ne peut les repérer avec un simple télescope : c’est également cette découverte que nous auront apportées les sondes spatiales.

Saturne, un bijou dans l’espace

     « Le monde de Saturne avec l’anneau qui l’entoure sans le toucher est ce que l’amateur d’astronomie peut voir de plus beau dans sa lunette. L’équilibre des formes, la justesse des proportions en font une parfaite œuvre d’art. De vieux observateurs chevronnés éprouvent encore, lorsqu’il entre pour la millième fois peut-être dans le champ de leur instrument, cette même émotion qui leur arrachait jadis des cris d’admiration. (Camille Flammarion, Astronomie populaire, éd. 1955).

      Bien que l’on en sache bien plus sur ce « monde de Saturne » qui stupéfiait tant le grand astronome et que des clichés multiples nous le montrent « pour de vrai », l’émerveillement est toujours le même. Comme quoi, décrypter, comprendre, démontrer un phénomène ne lui enlève rien, bien au contraire. La Science en l’expliquant pare le monde qui nous entoure d’encore plus de d’éclat et cela aussi est un de ses grands mérites.

Sources :

* Wikipedia France

* Science & Vie, 1123, avril 2011

Images :

1. la planète Saturne et ses anneaux (sources : beaulieu.free.fr)

 2. Galilée (sources : lafoliedeperrier.blogspot.com)

3. un télescope primitif (sources : www.bookdrum.com)

4. la planète Titan (sources : linternaute.com)

5. les anneaux de Saturne photographiés par la NASA (sources : www.cosmovisions.com)

6. vue d'artiste de la formation des anneaux saturniens (sources : futurasciences.com)

pour lire les légendes des illustrations, passer le pointeur de la souris dessus

Mots-clés : Galilée - Cronos - Christian Huygens - Jean Dominique Cassini - géantes gazeuses- planètes telluriques - planètes extrasolaires - Titan (pl.) - Rhéa - Hypérion - Japhet ou Japet - Pierre-Simon de Laplace - James Clerk Maxwell - disque d'accrétion - Camille Flammarion

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Sujets apparentés sur le blog

1. l'énigme de la formation de la Lune

2. origine du système solaire

3. planètes extrasolaires

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mise à jour : 9 mars 2023

     La Lune est l’unique satellite de la Terre : situé à environ 380 000 km d’elle, c’est l’astre le plus proche de nous. Observé par l’homme depuis la nuit des temps, c’est aussi, paradoxalement, un objet assez mal connu puisque, comme on le verra, son origine est encore du domaine de l’hypothétique.

   Des satellites, il en existe beaucoup dans le système solaire (par exemple, Jupiter en possède 63 et Saturne 60) mais la Lune est le cinquième satellite en taille du système solaire et sa particularité est d’orbiter autour d’une planète tellurique (rocheuse) la Terre, alors que les autres planètes du même type n’en possèdent pas (ou de minuscules, commeMars). Ce grand satellite a donc une influence importante sur notre planète et on peut même penser que, sans elle, la vie n’aurait pas pu y apparaître… (Voir le sujet : Vie extraterrestre 2). Comment se fait-il donc que l’on en sache si peu sur sa formation ?

Quelques vérités sur la Lune

     La lune nous présente toujours une même face : ceci est dû au fait que sa période orbitale (le temps mis pour effectuer une orbite autour de la Terre) est identique à sa période de rotation sur elle-même. Ce n’est pas un hasard mais la conséquence au fil du temps de l’influence de la Terre sur son satellite ; en effet, les frottements induits par les marées terrestres ont progressivement ralenti la Lune jusqu’à cet équilibre. Dans le même ordre d’idées, les marées terrestres, en poursuivant le ralentissement lunaire, entraînent l’éloignement de notre satellite d’environ 3 à 4 cm par an (dans les temps anciens, la Lune se trouvait trois fois plus près d’une Terre qui tournait sur elle-même en quatre heures). On le voit donc, l’intrication entre les deux planètes est importante au point que, sans la présence de la Lune, la Terre serait fort différente… et peut-être même, comme on l’a déjà mentionné, inhabitée.

     Contrairement à que qu’on a longtemps cru, on sait aujourd’hui que la Lune est un corps différencié, c'est-à-dire que ses structures, notamment en profondeur, ne sont pas homogènes : elle possède vraisemblablement un petit noyau central, entouré d’un manteau intermédiaire et d’une croûte lunaire (plus épaisse sur la face cachée). Cette structuration ressemble fortement à celle de la Terre, à la différence toutefois de l’absence d’une activité profonde, la Lune s’étant effectivement complètement refroidie.

      La surface lunaire est, quant à elle, bien particulière : composée d’un grand nombre d’éléments consécutifs à la formation de l’astre, elle est recouverte de ce que l’on appelle le régolithe, à savoir une couche poussiéreuse variant de 3 à 20 m selon les endroits (les vallées appelées « mers » ou les hauts plateaux au régolithe plus épais). S’ajoutent à cet aspect les nombreux impacts météoritiques (puisque la Lune n’a pas d’atmosphère comparable à notre planète) qui ont profondément modifié sa surface au point que les plus violents d’entre eux ont fait apparaître par endroits le manteau ainsi mis à nu.

Origine de la Lune : la théorie initiale

     Originellement, on a estimé que la Lune se serait formée environ 50 millions d’années après la naissance du Soleil. On a alors évoqué un choc gigantesque entre la Terre encore en

fusion et une planète de la taille de Mars. Les multiples débris de cette planète en se mêlant à une partie du manteau terrestre arraché par l’impact auraient alors formé un halo de poussières qui, en s’effondrant sur lui-même, aurait conduit à la formation de notre satellite : c’est la théorie de l’impact  géant proposé par les chercheurs de Harvard dès les années 1950. Une condition est toutefois indispensable pour accréditer ce modèle : l’absence d’eau. En pareil cas, en effet, la température de formation de la Lune aurait été bien plus importante que celle de la Terre ce qui exclut donc totalement chez elle la présence d’eau. Et c’est bien ce que rapportèrent les premières observations des échantillons des missions Apollo (1975) concluant à une Lune complètement déshydratée.

     Toutefois, en 2008, une étude plus approfondie des dits-échantillons découvre de l’eau dans ces roches lunaires vieilles de 3 milliards d’années. Peu, il est vrai mais de l’eau quand même. On s’étonne donc fortement ! On refait les analyses et, en 2011, en étudiant finement des roches lunaires encore plus anciennes (du magma primitif), la découverte est confirmée. Il y a de l’eau sur la Lune… Cette fois, c’est sûr, le scénario de l’impact primitif ne tient plus la route. Problème.

Une découverte qui change tout

     Il y a de l’eau sur la Lune : Tintin et le capitaine Haddock avaient donc raison (relire à ce propos l’album d’Hergé, « on a marché sur la Lune »).

      Comment expliquer cette étonnante présence ?

     Comment expliquer également un autre élément troublant : les différentes sortes d’oxygène (isotopes) sont identiques sur la Terre et sur son satellite alors que les compositions isotopiques de l’oxygène des différentes planètes du système solaire sont toutes différentes les unes des autres. De là à imaginer que Terre et Lune ont une origine commune, il n’y a qu’un pas… vite franchi par certains scénarios de formation de la Lune. Quels sont donc ces scénarios ? Outre la théorie de l’impact géant (dont on connait à présent les limites), quatre explications sont avancées :

. l’hypothèse du corps étranger : la Lune serait un astre formé dans une autre partie du système solaire mais qui se serait approché de la Terre jusqu’à entrer dans son champ gravitationnel et être capturé et satellisé par elle. Invraisemblable ? Pas tant que ça puisqu’on sait avec une quasi-certitude que c’est le sort qui fut réservé à Titan, le plus important en taille des satellites de Saturne. Reste néanmoins à comprendre la trajectoire et la vitesse plutôt fantaisistes de la planète en question. De plus, l’orbite lunaire actuelle ne peut être expliquée par ce modèle (elle devrait être plus allongée) de même que les similitudes de composition des deux astres…

. l’hypothèse de la fission : ce scénario fait appel à une Terre des débuts qui, en raison d’une importante force centrifuge engendrée par sa rotation, aurait « perdu » une partie de son manteau. L’énorme masse de matière ainsi libérée dans l’espace se serait alors mise en orbite autour de notre planète jusqu’à former la Lune actuelle. Cette hypothèse présente l’avantage d’expliquer les similitudes de composition entre la Terre et son satellite. Toutefois, là aussi il existe un problème : la vitesse de rotation initiale de la Terre aurait dû être dans ce modèle extraordinairement importante et, en dépit de l’ancienneté du phénomène, on devrait encore en voir les conséquences. Ce qui, à l’évidence, n’est pas le cas.

. l’hypothèse d’une naissance commune : ici, au moment de la formation de la Terre, on imagine qu’une partie du nuage qui gravite autour d’elle se serait agglomérée sous l’effet de sa propre pression, à peu près au moment où notre planète aurait atteint les 2/3 de sa taille finale. Une origine commune donc mais avec un hic : les deux astres devraient avoir une densité identique ce qui est loin d’être le cas. Du coup, même si ce scénario est celui de la formation de la plupart des satellites des planètes gazeuses géantes, il paraît assez difficile à défendre pour l’étrange couple Terre-Lune…

. l’hypothèse de l’échange après impact : dans ce scénario, tout commence comme dans celui de l’impact géant ; toutefois, on imagine que, après le fantastique choc avec une planète de la taille de Mars, un gigantesque nuage de poussières entoure le couple Terre-Lune. La Lune représenterait alors les restes encore constitués de la planète étrangère qui aurait pu échanger matière et eau avec notre planète. Là-aussi, toutefois, il persiste un problème : en pareil cas, la Lune aurait été considérablement ralentie par les poussières jusqu’à retomber sur la Terre…

     On le constate donc, aucun des scénarios évoqués ne convainc réellement.

L’apport des météorites

     On a dit que ce qui posait problème dans le scénario de l’impact initial était la présence d’eau incompatible avec la

chaleur dégagée par le choc. Et si cette eau provenait d’une autre source ? En effet, au début de leur formation et pendant environ 100 millions d’années, les deux astres ont été frappés par d’innombrables météorites provenant de la région située  entre Mars et Jupiter (où il en reste encore beaucoup). Ces météorites ont très bien pu amener l’eau en question puisqu’on sait qu’ils en sont fortement pourvus. Néanmoins, ici aussi, il existe une difficulté : pour posséder aujourd’hui autant d’eau, la Terre aurait dû être « bombardée » bien plus que la Lune… ce qui ne semble pas être le cas d’après les études menées sur le sujet.

     Reste la possibilité que les échantillons rapportés de notre satellite ne soient pas représentatifs de sa teneur réelle en eau mais, pour le moment, rien ne permet de l’affirmer.

Trop d’hypothèses trop dissemblables

     On le sait bien : dans le domaine scientifique, lorsque trop d’explications différentes sont avancées, c’est qu’on ne sait pas. Quelle que soit la bonne foi des uns et des autres, l’origine de la Lune reste donc un mystère. Il faudra probablement attendre de ramener bien plus d’échantillons de notre satellite pour en savoir plus. Ce qui, selon les meilleures estimations, devrait nous faire attendre jusqu’aux années 2020-2030…

     Il est toutefois intéressant de constater que, en dépit de la progression constante de nos découvertes, une partie du ciel si proche de nous recèle encore bien des mystères. On sait à peu près comment se sont formées les premières galaxies et les premières étoiles ; on découvre chaque jour de nouvelles planètes extrasolaires ; on comprend mieux l’écologie des quasars ou des étoiles à neutrons ; on sait parfaitement étudier le cycle de vie et de mort des étoiles, etc. Pourtant, on bute encore sur la formation d’un astre, la Lune, qui nous est si proche, astronomiquement parlant, un astre qui fait partie de notre imaginaire quotidien. Cela doit certainement nous conduire à garder beaucoup de modestie.

Sources

. fr.wikipedia.org/wiki/Lune

. revue Science & Vie, n° 1129, octobre 2011

. revue Ciel et espace

Images

1. la Lune (sources : artic.ac-besancon.fr)

2. Phobos, satellite de Mars (sources : mysteredumonde.com)

3. regolithe (sources : de-la-terre-a-la-lune.com)

4. impact de météorite en vue d'artiste (sources : futura-sciences.com)

5. naissance commune Terre-Lune (sources : artivision.fr)

6. le cratère Aristarque (sources : jdc-meteorite.e-monsite.com)

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

 Mots-clés :  Jupiter - Saturne - relation Terre/Lune - planète tellurique - période orbitale - marées - régolithe - présence de l'eau - météorites - mission Apollo 75 - Titan

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 Brêve : nouvelle approche de la formation de la Lune (septembre 2013)

     Pour que le scénario n°1 (planète percutant la Terre) soit valide, il faut que la planète ayant heurté la Terre des débuts ait échangé suffisamment de matière avec elle de façon à ce que la Lune soit en réalité formée à 90 % de matériaux terrestres (expliquant ainsi les similitudes des deux astres et la présence d'eau sur chacun d'eux). Malheureusement, les calculs montrent alors une rotation  résiduelle de la Terre bien plus importante que celle d'aujourd'hui, même après des millions d'années... On était donc dans la confusion jusqu'à ce que des calculs récents prennent en compte un paramètre jusque là sous-estimé, l'action de freinage du Soleil. Du coup, le scénario d'un "impacteur" de la taille de la moitié de la planère Mars percutant la Terre en formation redevient parfaitement crédible ! Et les spécialistes de la Lune de retrouver le sourire...

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1. vie extraterrestre (2)

2. météorites et autres bolides

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mise à jour : 10 mars 2023

     Les étoiles dites primordiales sont les toutes premières étoiles ayant jamais existé dans l’univers. Elles étaient sensiblement différentes de celles que nous observons aujourd’hui dans notre ciel : leur rôle fut majeur car elles permirent d’ensemencer les générations stellaires suivantes pour aboutir, entre autres, à l’apparition de la Vie sur la troisième planète d’un système stellaire périphérique de la Voie lactée, le nôtre (et peut-être même ailleurs). Il n’est pas inintéressant de revenir sur cette première génération d’étoiles afin d’essayer de comprendre comment tout a commencé. Nous avons déjà abordé dans ce blog plusieurs aspects de ces débuts fort anciens : pour de plus amples informations, des liens avec les articles spécifiques seront chaque fois précisés.

L’Univers primitif

     De nos jours, la théorie dite du Big bang (voir : Big Bang et origine de l’Univers) n’est plus réellement remise en question : il subsiste certes encore des inconnues (notamment les tout premiers instants de l’Univers) mais des preuves directes sont venues conforter le schéma logique, au premier rang desquelles la découverte du rayonnement fossile sur lequel nous reviendrons. Résumons sommairement l’affaire :

. Les premiers instants

     Ce qui est ennuyeux avec l’appellation « Big bang » (à l’origine une boutade), c’est qu’elle laisse supposer une sorte d’explosion gigantesque ce qui est totalement faux puisque, par définition, une explosion se produit dans l’espace et que de l’espace, il n’y en avait pas : celui-ci s’est créé au fur et à mesure de l’expansion du tout nouvel univers. Mais enfin, usage fait force de loi…

     Sans revenir sur les éléments détaillés dans le sujet concerné, rappelons que les atomes se sont formés environ trois minutes après le point de départ initial (que l’on peut aussi nommer « singularité » puisque la physique classique ne peut y avoir cours) et que c’étaient forcément des atomes simples (hydrogène ou hélium). Toutefois, la température du magma originel était si intense que les électrons (négatifs) ne pouvaient pas encore se lier aux noyaux atomiques (positifs). De la même manière, les photons lumineux ne pouvaient pas encore s’échapper, d’où l’obscurité totale. Il faudra attendre environ 380 000 ans pour que la matière refroidisse suffisamment et que la lumière commence à voyager.

. Le rayonnement primitif

     Vers 380 000 ans et environ 3000°, un énorme « flash » est émis : la trace résiduelle de cet évènement est le fonds diffus cosmologique découvert en 1964 par Penzias et Wilson (ce qui leur valut le prix Nobel de physique), une observation qui fit définitivement pencher la balance du côté de la théorie du Big bang (voir : fonds diffus cosmologique). Visible depuis la Terre dans toutes les directions, ce rayonnement fossile possède une caractéristique remarquable : il semble parfaitement homogène… du moins à première vue.

. Les premières galaxies

     Quand on l’étudie de près, ce rayonnement, on s’aperçoit qu’il présente de subtiles et infimes variations - des irrégularités nommées par les spécialistes des « fluctuations » -

et c’est tant mieux. Parce que ce sont elles qui expliquent l’organisation actuelle de la matière et la formation des premières galaxies. Il n’existe évidemment aucune certitude mais la théorie la plus en vogue est la suivante : à mesure que la matière jusque là réduite à un volume encore minuscule s’est refroidie, de la matière noire s’est condensée (voir : matière noire et énergie sombre) entraînant l’accumulation de gaz. Les infimes variations que nous venons d’évoquer ont attiré gaz et matière noire vers les endroits les plus denses (les « filaments cosmiques », voir : juste après le Big bang) d’où la naissance de conglomérats qui, secondairement, ont conduit à la formation des premières galaxies et des premières étoiles exclusivement composées d’hydrogène et d’hélium, des étoiles dites « primordiales ».

     A quel moment apparurent ces premières structures ? Lors de récentes observations de l’espace lointain, le télescope spatial Hubble a pu mettre en évidence la présence de galaxies très tôt dans l’histoire de l’Univers : environ 600 000 ans après le Big bang (Ce fut une surprise pour les astronomes qui pensaient à une apparition progressive vers 1 à 2 milliards d’années). La formation de notre Univers, on le sait à présent, date d’environ un peu moins de 14 milliards d’années et la constitution des premières étoiles vite regroupées en galaxies s’est donc faite très tôt.

Les étoiles du début

     Il est finalement plus facile de comprendre l’évolution des nuages primordiaux parce que ces derniers ne possèdent aucune chimie compliquée ; ils sont en effet composés d’hydrogène et d’hélium, donc sans atomes lourds ou molécules complexes et donc sans non plus de champs magnétiques : ce sont des structures simples. A cette époque (très) ancienne, les régions les plus denses formaient assez peu d’hydrogène moléculaire mais cela a suffi pour refroidir l’ensemble. On pense que, au début, seules des étoiles supermassives (souvent d’une masse cent fois plus importante – voire plus - que celle du Soleil) se sont formées : les étoiles primordiales.

      Or les étoiles géantes, on l’a déjà mentionné, ont une espérance de vie très courte (voir : mort d’une étoile), peut-être un million d’années (à comparer avec la naine jaune qu’est notre Soleil dont la vie peut durer jusqu’à 10 milliards d’années). Leurs fins de vie sont cataclysmiques et les gigantesques explosions terminales de ces premières étoiles ont pu libérer dans l’espace nombre de corps jusque là absents (soufre, fer, oxygène, or, etc.). C’est cette particularité évolutive qui fait dire que les étoiles primordiales ont ensemencé l’Univers, permettant à celles qui leur ont succédé d’intégrer des matériaux nouveaux… des matériaux sans lesquels la Vie (telle qu’on la connaît) n’aurait pas pu apparaître.

Les plus anciennes étoiles de notre Galaxie

     Notre galaxie, la Voie lactée (également appelée « la Galaxie ») s’est formée il y a environ 12 à 13 milliards d’années à partir d’un gigantesque nuage de gaz. Douze à treize milliards d’années, c’est presque le début de l’Univers et, à défaut d’y trouver des étoiles primordiales déjà depuis longtemps éteintes, est-il possible d’y repérer des étoiles très anciennes, celles de la deuxième génération, qui succédèrent aux étoiles primordiales ? Et si oui, où faut-il chercher ?

     Rappelons tout d’abord la structure d’une galaxie, par exemple celle d’une galaxie spirale comme la nôtre (voir : les galaxies et place du Soleil dans la Galaxie). Le centre d’une galaxie est occupé par un bulbe composé d’étoiles certes anciennes mais riches en éléments lourds. Autour de ce centre, se trouve le disque galactique qui est, quant à lui, un lieu de formation de nouvelles étoiles car il s’y trouve beaucoup plus de gaz et de poussières. Au-delà du disque et de ses bras en spirales, un certain nombre d’étoiles habitent ce que l’on appelle le « halo » galactique et c’est ce halo qui nous intéresse. Signalons au passage que nous ne voyons que la partie visible de ce halo mais qu’existe une région périphérique encore plus étendue composée de matière noire à la nature inconnue.

     C’est dans la zone visible du halo galactique que se trouvent les étoiles les plus anciennes dont la métallicité (les atomes secondairement acquis de plomb, de soufre, etc. déjà cités) est la plus faible car c’est là que se sont formés les premiers éléments galactiques. Effectivement, lorsque le gaz s’est rassemblé pour engendrer le disque galactique, certaines étoiles ont été repoussées en périphérie de l’ensemble et – point important – c’était les premières à avoir été ensemencées par les étoiles primordiales. Toutefois, la plupart de ces étoiles ont dû être de taille bien plus petite que celles de la première génération stellaire ce qui sous-entend qu’elles ont pu vivre plus longtemps… et qu’elles sont donc encore peut-être présentes et observables.

      Et c’est bien ce que rapportent les observations : on a ainsi découvert une étoile dont les quantités de fer sont 100 000 fois moindres que celles du Soleil. Très certainement une étoile de seconde génération. La découverte en revient à Elisabetta Caffau et sonéquipe de recherche européenne (article paru dans la revue Nature en septembre 2011) grâce au VLT (Very Large Telescope européen, installé au Chili). Il s’agit d’un astre situé à 4000 années-lumière de nous, dans la constellation du Lion, et qui, d’après les données du VLT, est pratiquement composé uniquement d’hydrogène et d’hélium puisqu’il ne renferme que 0,00007% d’atomes lourds (contre 2% pour le Soleil). C’est probablement un des astres les plus âgés de la Galaxie, né 8 milliards d’années… avant le système solaire.

     Identifier de tels objets suppose aussi que des étoiles très massives ont dû exister à proximité, des astres depuis longtemps disparus. A contrario, quand on se rapproche du disque galactique, puisqu’il s’y forme encore des étoiles (environ 4 à 5 par an), on trouve très logiquement une proportion plus importante d’étoiles massives.

Les autres galaxies

     Depuis peu, on peut également observer des galaxies très lointaines (et donc très anciennes puisque, rappelons-le, plus on observe loin, plus on voit dans le passé). En 2010, le télescope spatial Hubble nous a ainsi gratifié d’une très intéressante photographie de galaxies fort anciennes (à plus de 13 milliards d’années-lumière, soit presque le début de l’Univers). On y distingue de plus petites galaxies que celles d’aujourd’hui, ces structures possédant des populations d’étoiles très bleues ou, dit autrement, d’étoiles jeunes très primitives et déficitaires en éléments lourds : des étoiles primordiales ou, à tout le moins, de seconde génération. Voilà qui conforte encore plus l’image d’un Univers en expansion créé à partir d’une singularité initiale extraordinairement petite.

Un Univers en expansion

     Notre Univers est immense : des milliards de galaxies renfermant chacune des centaines de milliards d’étoiles… On sait depuis quelques années que cet univers s’étend sans cesse, créant l’espace au fur et à mesure et, plus encore, que cette expansion s’accélère. On le sait en effet depuis Hubble (l’astronome, pas le télescope spatial) : les galaxies s’éloignent les unes des autres et ce d’autant plus vite qu’elles sont éloignées de la nôtre. Il n’existe qu’une exception à cette règle universelle : les groupes locaux, c'est-à-dire des galaxies suffisamment proches les unes des autres (tout est relatif) pour que ce soit la gravité qui règle leurs mouvements ; c’est par exemple, le cas de notre Voie lactée et de la trentaine de galaxies qui lui sont proches, comme celle d’Andromède M31 avec laquelle elle fusionnera dans quelques milliards d’années. Il s’agit là d’exceptions dite locales puisque, à terme, ces groupes de galaxies voisines ne finiront plus par former qu’une seule et même entité… s’éloignant de toutes les autres.

     L’univers continuera-t-il son expansion ? La réponse est pour l’instant inaccessible. Il est possible que cette fuite vers l’immensité soit sans fin et que ce formidable déploiement de l’espace aboutisse à un vide incommensurable peuplé de quelques ilôts de matière qui finiront par s’effilocher dans le néant. A l’inverse, on peut imaginer que cette expansion cessera à l’arrivée d’un point d’équilibre encore inconnu pour s’inverser dans une contraction qui ramènera la matière à son point d’origine (les cosmologistes ont baptisé cette éventualité du nom de Big crunch). Certains avancent même l’idée d’une sorte « d’effet de balancier » de l’Univers s’étendant sur des dizaines de milliards d’années en une sorte de pulsation perpétuelle.

     Les lois de la physique étant immuables, le seul moyen d’approcher une réponse crédible est l’étude de notre passé galactique, notamment celle de ses premiers instants. Il reste tant de mystères à découvrir (matière noire, énergie sombre, singularité initiale, etc.) que l’observation, encore et toujours, du cosmos est pour l’Homme le seul moyen de satisfaire sa curiosité. Simple curiosité, toutefois, car la durée de ces phénomènes dépasse totalement son espérance de vie, même en terme de civilisations ou d’espèce…

Images

1. Rigel et la nébuleuse de la Tête de Sorcière

(sources : fredofenua.blogspot.com/2008_10_01_archive.html)

2. vue d'artiste du Big bang (sources : paleodico.wifeo.com)

3. carte du fonds diffus cosmologique (sources : cougst.free.fr)

4. vue d'artiste d'une explosion de supernova (sources : dreamstime.com)

5. Voie lactée (sources : fr.wikipedia.org)

6. plus vieille étoile de la Voie lactée (sources : ciel.science-et-vie.com)

7. plus anciennes galaxies photographiées par le télescope spatial Hubble

(sources : hubblesite.org/newscenter)

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

Mots-clés : Big bang - rayonnement fossile - singularité initiale - photons - satellite COBE - télescope spatial Hubble (site en anglais) - étoiles supermassives - naine jaune - Voie lactée - halo galactique - accélération de l'expansion - groupe galactique local - Big crunch

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1. juste après le Big bang

2. les premières galaxies

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7. mort d'une étoile

8. HD 140283, retour sur les étoiles primordiales

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 mise à jour : 11 mars 2023

     Donner des noms aux objets qui nous entourent remonte très certainement à loin dans le passé. Nos ancêtres préhistoriques, dès qu’ils eurent une conscience suffisante, cherchèrent probablement à se repérer dans leur espace d’où l’élaboration d’une sorte de cartographie rudimentaire. Le ciel qui leur paraissait bien plus proche qu’il ne l’est en réalité était certainement vécu par eux comme un toit, un dôme lumineux où, régulièrement selon les jours et les saisons, réapparaissaient des points brillants qu’il leur fallut bien dénommer. Plus tard, au commencement de notre actuelle humanité, des hommes cherchèrent à identifier plus précisément ces astres qui pouvaient leur servir de repère, la nuit en l’absence du Soleil. Contrairement à ce que croient bien des gens, ce ne sont pas les marins qui imaginèrent les premiers des tracés célestes, les constellations, afin de se déplacer plus aisément, mais les caravaniers qui s’enfonçaient dans les déserts…

Une histoire ancienne

     Les étoiles les plus brillantes possèdent de nombreux noms différents, témoignant ainsi des civilisations et cultures diverses s’étant intéressé à elles (par exemple, Véga, quatrième étoile de notre ciel par sa luminosité, possède plus de 40 noms !). Trop d’appellations assurément : c’est la raison pour laquelle, au commencement de la période moderne, on décida, comme on le verra ensuite, d’unifier cet embrouillamini. Avant, en effet, les peuples de la préhistoire qui observaient ces cieux de nuit immuables et pourtant changeants avaient très tôt attribué des symboles magiques à ces bijoux brillants qu’ils croyaient divins.

     Les étoiles les plus éclatantes ont des noms issus des langues antiques : celui, par exemple, de Sirius (la plus brillante du ciel) est d’origine grecque signifiant « celle qui dessèche » mais l’astre est en réalité un système double associant deux étoiles blanches (dont une naine) qui doit sa luminosité intense à sa proximité du système solaire. Celle qui dessèche ? C’est parce qu’il s’agit d’une traduction d’une expression égyptienne où l'on considérait Sirius comme annonciatrice de la saison chaude : en effet, l’étoile apparait juste avant le Soleil, au solstice d’été dans l’hémisphère nord. La saison chaude est, on le sait, un temps de fortes chaleurs appelée « canicule » d’où, également, le nom latin de Sirius, « canicula », la petite chienne, chez les Romains.

     D’autres noms proviennent directement du latin comme, par exemple, Régulus (le roitelet), l’Etoile Polaire (Polaris) ou la géante rouge Arcturus (« le gardien des ours » puisque proche de la Grande Ourse et de la Petite Ourse).

     Toutefois, c’est au moyen-âge que les astronomes arabes s’efforcèrent d’unifier quelque peu le grand désordre de ces noms. Ceux-ci s’inspirèrent de l’Almageste de Ptolémée, ouvrage du IIème siècle rassemblant l’ensemble des connaissances astronomiques de l’antiquité (notamment la compilation de 1022 étoiles), qu’ils traduisirent dès le IXème siècle : on comprend donc pourquoi la grande majorité des noms d’étoiles sont d’origine arabe. Citons, à titre d’exemple, Deneb (Al Dhanab, la queue), Bételgeuse (ibt al-ghül, l’épaule du géant) ou encore la géante rouge Aldébaran (al-dabarän, la suivante, car elle « suit » le groupe des Pléiades, amas ouvert d’étoiles observé depuis la plus haute antiquité).

     L’Europe occidentale eut connaissance des ces textes au XIIème siècle par des traductions espagnoles et surtout au XVème siècle par une version grecque en provenance de Byzance. Dès lors, une confusion intense s’installa : des étoiles eurent plusieurs noms sans qu’on en comprenne l’origine tandis que d’autres furent affublées de noms grecs qui concernaient d’autres étoiles. On arriva même à avoir des noms identiques pour des astres de constellations différentes. Une remise à plat du système devenait indispensable : elle eut lieu au début du XVIIème siècle.

L’époque moderne

     C’est un magistrat allemand féru d’astronomie, Johannes BAYER (1572-1625), qui s’attela le premier à cette tâche en réalisant un atlas concernant l’ensemble de la sphère céleste (51 cartes sidérales correspondant aux 48 constellations connues de Ptolémée plus une pour le ciel du sud inconnu de l’astronome grec et deux planisphères, aboutissant à un total de 1705 étoiles). C’était un travail considérable construit à partir des observations du plus grand astronome de l’époque, le Danois Tycho Brahe, et qui fut publié à Augsbourg en 1603 sous le nom d’Uranometria.

      Plus encore, Bayer proposa une classification, encore employée de nos jours, qui désignait les étoiles selon une méthode simple : l’utilisation de lettres grecques pour les étoiles selon leur ordre de brillance au sein d’une même constellation, suivie du nom latin de la constellation concernée. Ainsi Sirius (qui conserve toujours son nom usuel pour le profane) devint alpha canis major (étoile principale de la constellation du Grand Chien) tandis que, par exemple, Aldébaran devint alpha Tauri (la plus brillante du Taureau) et Rigel, béta Orionis (la deuxième de la constellation d’Orion, derrière Bételgeuse).

     En 1862, l’astronome allemand Friedrich Wilhelm August ARGELANDER (1799 – 1875) proposa un catalogue comprenant toutes les étoiles présentes dans l’hémisphère nord jusqu’à la magnitude 9,5 ce qui concerne 459 000 étoiles. Le catalogue argentin de Cordoba complétera ce travail avec près de 580 000 étoiles de l’hémisphère sud.

      Durant ces premières tentatives de classement et de dénomination des étoiles, on aura pu constater le recours fréquent fait au système des constellations, doctrine issue de l’antiquité, mais un tel concept a-t-il encore une véritable signification de nos jours ?

Etoiles et constellations

     Comme j’ai eu l’occasion de l’aborder dans un sujet précédent (voir astronomie et astrologie), une constellation n’est qu’une vue de l’esprit sans aucune justification scientifique (n’en déplaise aux astrologues). De quoi s’agit-il en effet ? Pour se repérer plus facilement, les Anciens avaient recours à des constructions imaginaires (d’animaux, d’objets, etc.) qui reliaient entre elles des étoiles qui n’ont rien à voir les unes avec les autres. Le seul critère retenu était celui de la luminosité apparente des astres : une étoile proche parait ainsi bien plus brillante qu’une autre peut-être beaucoup plus grosse mais plus lointaine. Du fait, ces figures ne sont en réalité visibles que de la Terre : un observateur placé sur une planète située à quelques dizaines d’années-lumière de notre Soleil verrait des constructions bien différentes… Par ailleurs, selon les civilisations (Egyptienne, Babylonienne, Chinoise, etc.), les constellations varient en noms et en représentations théoriques… Ces constellations furent regroupées une fois pour toutes en 1930 dans le Catalogue Officiel des Constellations, précisant les limites exactes des 88 d’entre elles officiellement reconnues. Il s’agit, toutefois, d’une initiative plus historique que scientifique car si on a gardé ce système, c’est uniquement pour la commodité des seuls Terriens sur leur planète : les scientifiques ont depuis longtemps renoncé à s’en servir.

Atlas et cartes stellaires

     Nommer les étoiles, c’est bien mais il faut également les situer les unes par rapport aux autres d’où la réalisation indispensable de cartes stellaires. Précisons la signification exacte de certains termes :

     * on appelle cartes célestes la représentation graphique des étoiles dans le ciel. Elles existent sous différentes formes :

. des cartes murales présentées à plat, pliées ou roulées, de plus ou moins grand format. Sont le plus souvent représentées les étoiles visibles à l’œil nu, soit environ 6 000 astres ;

. des cartes mobiles sous la forme d’un disque coulissant dans une chemise cartonnée à découpe : on règle la découpe en fonction de l’heure et du lieu de façon à représenter la portion de ciel visible au moment choisi ;

     * les atlas dessinent le ciel graphiquement (ou en photos) à grande échelle mais, à la différence des cartes, ils comprennent plusieurs planches. La magnitude et le nom d’étoiles y figurent mais aussi parfois, des nébuleuses, des amas stellaires voire certaines galaxies ;

     * les catalogues, enfin, sont des livres dans lesquels chaque étoile est décrite avec le plus de précision possible. Ces catalogues peuvent être spécialisés ne comprenant, par exemple, que les nébuleuses planétaires, les amas stellaires ou les systèmes binaires d’étoiles.

     Pour les lecteurs intéressés, citons certains des ouvrages les plus connus : le Henri Draper catalog, le catalogue Messier, le New General Catalog, le Aitken Double Star (pour les étoiles doubles), mais il en existe bien d’autres. Chaque fois qu’on désignera un objet céleste à partir d’une de ces bases de données, on n’oubliera pas de mentionner l’abréviation de la source : par exemple, M31 pour la galaxie d’Andromède (M pour Messier) ou NGC 292 pour le Petit Nuage de Magellan, une petite galaxie satellite de la nôtre (NGC faisant évidemment référence au New General Catalog).

     Je précisais que la classification de Bayer est toujours en vigueur, en tout cas pour les étoiles jusqu’à la magnitude 7. Toutefois, les télescopes modernes ont repéré bien plus d’étoiles, des millions sans doute, et, du coup, leur nombre est trop important pour les lettres de l’alphabet grec : on a alors recours à d’autres numéros d’ordre sans se préoccuper du découpage arbitraire des constellations.

Classement des étoiles

     Lorsqu’on lève les yeux vers le ciel par une belle nuit sans lune et sans nuages (mais également sans les lumières parasites artificielles des hommes), on ne peut qu’être frappé par la beauté du spectacle présenté par ces mondes lointains à jamais inaccessibles ; on reste même parfois ébloui par tous ces points lumineux et scintillants : ne dit-on pas de certaines nuits qu’elles sont « cloutées d’or » ? Pourtant, ce que l’œil de l’homme - même le plus aguerri – aperçoit alors n’est qu’une partie infinitésimale d’un ensemble si vaste que l’esprit peine à se le représenter…

      Mais l’être humain est ainsi fait que, même si cela lui semble difficile, il lui faut inventorier, classer, nommer. Nommer les étoiles, c’est assurément un moyen de repérer, d’identifier et donc de connaître mais, pour distinguer ces étoiles les unes des autres, on peut procéder autrement. Dans de précédents sujets (voir les sujets la couleur des étoiles et mort d'une étoile), j’avais décrit d’autres méthodes pour identifier les différentes étoiles qui peuplent notre Univers. Loin de la systématique purement descriptive que nous venons de survoler, il est en effet possible de caractériser les étoiles par leurs couleurs ou leurs interactions, voire leur évolution ou encore leurs caractéristiques physiques : n’hésitez pas à cliquer sur les liens situés quelques lignes plus haut afin d’explorer certaines de ces autres pistes.

Images

  1. la constellation d'Orion (sources : http://www.toujourspret.com)

  2. Sirius en Egypte au solstice d'été, vue d'artiste (sources : http://www.40daydetox.com/)

3. l'Almageste traduite en arabe (source : http://www.astrosurf.com/)

4. constellation du Lion dans l'Uranometria de Bayer (sources : http://www.flickr.com/photos/uofglibrary)

5. constellation du Scorpion (sources : http://www.clipartpal.com/)

6. exemple de carte céleste mobile (sources : http://fr.wikipedia.org)

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

Mots-clés : Vega - Sirius - Ptolémée - Almageste - Johannes Bayer - Friedrich Argelander - catalogue de Cordoba - catalogue Messier - New General catalog

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     Sommes-nous seuls dans l’Univers ? Voilà une question qui hante l’Homme depuis qu’il a une conscience. Ecrivains, philosophes, scientifiques, bien d’autres encore ont cherché à répondre à cette angoissante question, certains d’entre eux en scrutant les nuits étoilées, d’autres ce que leur dictait leur raison. Dans un sujet précédent (voir : vie extraterrestre, 2ème partie), j’ai rapporté les savants calculs d’Isaac Asimov, scientifique brillant et écrivain de science-fiction prolifique, qui, se basant sur les statistiques, explique que au moins 500 000 civilisations technologiques doivent exister en ce moment dans notre seule galaxie qui regroupe, il est vrai, entre 200 et 300 milliards d’étoiles (et encore plus de planètes). Mais les faits, les observations réelles, les signes indiscutables, les preuves en somme ? Rien pour le moment. On peut donc s’interroger : la Science et les techniques ont-elles les moyens de résoudre ce mystère venu du fonds des âges ?

     De nombreuses tentatives d’entrée en contact ont eu lieu, certaines d’entre elles étant toujours en cours : parmi ces dernières, l’expérience la plus célèbre est celle du projet SETI, à laquelle je vous propose de nous intéresser.

Projet SETI : la genèse

     Rechercher la preuve d’une intelligence extraterrestre demande de la méthode. En effet, il s’agit ni plus ni moins que d’analyser des signaux (ondes radio ou ondes visibles) provenant de l’espace mais pas n’importe lesquels bien sûr puisqu’il faut identifier des productions ne devant rien au hasard : ces signaux doivent impérativement avoir été émis, volontairement ou non, par une civilisation technologiquement avancée.

     La première tentative de SETI (Search for ExtraTerrestrial Intelligence ou recherche d’une intelligence extraterrestre) date de 1960 et fut baptisée à l’époque le projet Ozma (d’après « la princesse d’Oz »). L’idée était donc d’identifier dans le cosmos une activité ne devant rien au hasard de la Nature. Pour cela, le premier directeur de recherche, l’américain Franck D. Drake, postula que l’observation au radiotélescope devait se faire sur la raie à 21 cm de l’atome d’hydrogène, supposée être suffisamment naturelle pour représenter un standard universel de communication radio. Il porta son choix sur deux étoiles assez proches du système solaire (à environ 11 années-lumière) : Epsilon d’Eridan et Tau Ceti de la Baleine, étoiles de structure comparable à notre Soleil et donc susceptibles d’abriter chacune un cortège de planètes. L’observation dura quatre mois mais sans aucun résultat.

     On décida donc d’élargir le champ de recherche dans un projet complémentaire baptisé Ozma II qui dura presque 4 ans (1973-1976) et porta sur l’observation de près de 650 étoiles. Sans plus de succès.

     On peut penser que ces résultats n’étaient guère encourageants… sauf qu’il s’agissait d’une étude très réduite, n’observant qu’une toute petite partie du ciel et, de plus, durant peu de temps. Un grain de sable sur l’immensité de la plage cosmique… Les scientifiques décidèrent de poursuivre leurs efforts en élargissant leur champ d’observation et ce d’autant que les techniques – et les moyens – progressaient au fil des années.

Projet SETI : la maturité

     Il fut décidé dans un premier temps de prendre le problème à l’envers. En 1974, à partir du grand radiotélescope d’Arecibo (Porto Rico), on envoya un message en direction de l’amas stellaire Messier qui regroupe quelques dizaines de milliers d’étoiles et qui est situé à environ 24 000 années-lumière du Soleil. Les scientifiques réfléchirent longuement à la teneur du « message » : il fallait en effet qu’il puisse être suffisamment universel pour être interprété et compris par les éventuels extraterrestres. Il fut décidé d’envoyer 1. la liste des dix premiers nombres entiers ; 2. la formule de l’ADN ; 3. la représentation des plus simples des éléments chimiques de la classification de Mendeleïev et 4. quelques renseignements plus spécifiquement humains, à savoir un schéma du système solaire, la représentation du corps humain et, pour faire comprendre comment on procédait, le schéma d’un radiotélescope. Il est à noter que cette initiative fut contemporaine du lancement des sondes américaines Pionner qui emportèrent des renseignements analogues gravés sur une plaque d'or.

     Parallèlement, plusieurs projets continuèrent la recherche d’ondes possiblement extraterrestres. Toutefois, en 1993, le Congrès américain – qui était jusqu’alors le principal pourvoyeur de SETI – décida de couper totalement ses crédits alléguant qu’il valait mieux consacrer ces moyens financiers devenus rares à des opérations plus immédiatement rentables. L’affaire fit alors grand bruit et ce sont des moyens privés (aux USA) qui se substituèrent à l’argent gouvernemental défaillant…

* le projet Phoenix : démarré en 1995, il permit l’observation de près d’un millier d’étoiles distribuées dans un rayon de 150 années-lumière autour du Soleil, la plupart des ces astres étant similaires à ce dernier. L’opération s’acheva en 2004 sans avoir décelé d’anomalies non naturelles.

* les divers projets SERENDIP : alors que Phoenix demandait l’utilisation exclusive d’un radiotélescope, ces projets (américains, australiens, etc.) utilisèrent (et utilisent encore car certains d’entre eux subsistent) les plages non utilisées de radiotélescopes par ailleurs réservés à des observations astronomiques diverses ce qui explique la recherche de signaux un peu partout dans l’Univers, les cibles étant déterminées par les projets classiques en cours.

* le nouveau SETI : en 2007, l’université de Berkeley (Californie) et le SETI Institute mirent en service un instrument nouveau, entièrement dédié à l’observation d’éventuels signaux cosmiques : l’ATA (pour Allen Telescope Array, du nom de Paul Allen, co-fondateur de Microsoft et principal donateur). L’ATA sera, une fois entièrement construit, le radiotélescope le plus rapide et le plus grand du monde. Pour l’instant composé de 42 antennes, il devrait à terme en posséder 350, réparties sur près d’un km, ce qui lui conférera une sensibilité équivalente à celle d'un télescope de 100 m de diamètre : on pourra alors surveiller plus d’un million d’étoiles en même temps !

     Seule ombre au tableau : pour le construire, SETI bénéficiait d’aides fédérales qui ont été (une nouvelle fois) suspendues en avril 2011 ce qui laisse pour le moment l’ATA avec ses seules 42 antennes de départ. On espère que le projet pourra être rapidement poursuivi !

     Le projet SETI est connu d’une grande partie des internautes du monde entier mais pas uniquement pour ses motifs de recherche. En effet, les concepteurs de l’opération ont eu une idée diablement astucieuse qui a permis leur notoriété au-delà du simple cercle des seuls intéressés par le sujet étudié…

Le projet SETI : SETI@home

     Enregistrer des données, c’est bien mais encore faut-il pouvoir les décrypter or la masse de ces données est considérable. Les concepteurs de SETI ont donc eu une idée : et si on utilisait la puissance de calcul des ordinateurs des particuliers du monde entier (en tout cas, une petite partie d’entre eux) ? Pour cela, les scientifiques ont développé un logiciel qui se présente sous la forme d’un écran de veille : lorsque l’utilisateur abandonne sa machine pour faire autre chose, le logiciel se sert de celle-ci pour analyser une partie des données enregistrées par SETI en cherchant donc les fameux signaux. Remarquons par ailleurs que le logiciel peut également fonctionner « en toile de fond », consommant peu de ressources, ce qui ne devrait alors guère gêner ceux qui font de la simple bureautique ou une promenade sur Internet…

      Au début vécu un peu comme une gageure, les gens de SETI espéraient 50 000 à 100 000 participants : ils sont aujourd’hui plus de 5,2 millions répartis à travers le monde. Du coup, la puissance de calcul totale est très importante : à titre de comparaison, le superordinateur le plus puissant du monde, Tianhe-I (Chine) a une puissance de calcul de 2 566 TeraFlops tandis que SETI@home atteints 509 TeraFlops… Pas si mal !

     Vous aussi, vous vous sentez intéressé à « prêter » votre ordinateur durant ses périodes d’inactivité ? Rien de plus simple : cliquez sur le lien suivant setiathome.free.fr et téléchargez le logiciel (c’est rapide et, bien sûr, gratuit). Vous n’aurez ensuite plus à vous soucier de rien : le logiciel prendra le relai après une certaine période d’inactivité de votre machine et enverra ses données tout seul à Berkeley. Aucune crainte à avoir : tout est sécurisé.

La recherche des signaux extraterrestres

     En dépit d’années d’observation, aucun signal clairement identifié comme provenant d’une civilisation extrasolaire n’a jusqu’à présent pu être mis en évidence. Aucune raison de se décourager pourtant. Si l’on suit les calculs statistiques d’Isaac Asimov auxquels je faisais allusion en préambule, on table sur un demi-million de sociétés évoluées possibles… mais sur un total observable de 300 milliards d’étoiles : autant dire que nous n’en sommes qu’aux premiers balbutiements…

     Certaines « anomalies » ont été repérées qui cadrent mal avec des causes naturelles (connues) et leur décryptage reste à faire. C’est du moins ce que nous disent les spécialistes : l’avenir, ici aussi, tranchera.

     Reste un problème et il est de taille : à supposer que l’on identifie une source extraterrestre, comment communiquer avec elle quand on sait que la lumière met près de quatre ans pour atteindre (ou revenir) de notre plus proche voisine, la naine rouge alpha C (dite Proxima) du Centaure ? Communiquer – en aller et retour – avec une civilisation lointaine mettrait un temps tel que nos civilisations auraient le temps de s’éteindre dans l’intervalle. Comment résoudre ce défi ? Pour l’heure, personne ne sait répondre à cette question…

Sources

1. Encyclopaedia Britannica

2. Encyclopédie Universalis

3.  http://setiathome.berkeley.edu/

Images

1. le télescope ATA du projet SETI (sources : www.freedomsphoenix.com)

2. l'étoile Epsilon Eridani (sources : futura-sciences.com)

3. le Soleil et Tau Ceti (sources : http://commons.wikimedia.org)

4. message symbolique envoyé conjointement par SETI et la sonde Pioneer 10 (sources : http://fr.wikipedia.org)

5. le Allen Telescope Array (sources : www.planet-techno-science.com)

6. l'écran de SETI@home (sources : www.espenship.com)

7. étoiles (sources : http://crocosphere.free.fr/)

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

Mots-clés : projet SETI - Isaac Asimov - projet OZMA - Franck D Drake - Epsilon Eridani - Tau Ceti - radiotélescope d'Arecito - sondes Pioneer - projet Phoenix - projets SERENDIP - ATA - seti@home

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Mise à jour : 7 mars 2023

     Dans les ciels d’avant la révolution industrielle, loin des fumées et des pollutions lumineuses d’aujourd’hui, pour peu que la nuit ait été dégagée, seules quelques nappes de brouillard en hiver ou une brume de chaleur en été pouvaient empêcher de contempler l’infini. Il suffisait de marcher quelques dizaines de mètres pour s’éloigner des villes ou des villages afin de se confronter à cet univers à la fois si proche et si lointain.

     Nombre d’objets étaient alors accessibles à l’œil humain : les étoiles et les planètes bien sûr, les premières se différenciant des secondes par leur scintillement et leur apparente immobilité entre elles. Une comète, de temps à autre, venait ajouter à ce bel équilibre son panache lumineux, porteur ici-bas d’interprétations diverses. Des nébulosités étranges que l’on ne savait pas encore décrypter complétaient ce tableau féérique, ponctué à certaines périodes de l’année par des essaims de météorites qu’on appelait étoiles filantes. Parfois, mais rarement, des intrus venaient se mêler à ce spectacle si connu parce qu’observé tant de fois au fil des saisons : des étoiles nouvelles. Ces apparitions fort inattendues étaient effectivement bien des étoiles – leur scintillement le prouvait – mais ces astres souvent très lumineux au point d’éclipser leurs compagnes éphémères ne vivaient que peu de temps, quelques semaines voire quelques mois au plus. On les appela novas.

     La chronique a retenu l’apparition de quelques unes de ces novas, souvent corrélées à un événement important de notre histoire afin d’en tirer une signification magique. Ainsi, en 1006, les astronomes du monde d’alors, Européens, Japonais, Chinois, Egyptiens, Irakiens, d’autres peut-être encore, mentionnèrent l’apparition d’une étoile nouvelle, probablement la plus brillante observée durant les temps historiques : l’astre resta visible près d’un an et les écrits mentionnent que son éclat était si intense que, mis à part le Soleil, c’était la seule étoile capable de produire des ombres à la surface de la Terre. Quelques années plus tard, en 1054, une autre nova défraya la chronique, surtout en Extrême-Orient, où elle fut observée pendant près de deux ans, restant durant trois semaines visible en plein jour, tandis que ses restes, la nébuleuse dite du Crabe, ne furent identifiés par les Européens qu’au XVIIIème siècle.

     Ces « étoiles nouvelles »  sont rares : les statistiques nous disent qu’elles ne sont que deux ou trois par siècle dans la Voie lactée… Toutefois, depuis qu’existent les instruments de l’époque moderne, aucune nova n’y a été repérée, les seules récemment visibles appartenant à des galaxies extérieures ! Alors que sont au juste ces astres fugaces ?

Novas

     Il convient de bien saisir avant toutes choses que novas et supernovas sont de nature très différente et qu’elles ne doivent donc pas être confondues. Presque toujours, les astres décrits dans les temps historiques comme étant des novas sont en réalité des supernovas, des entités sur lesquelles nous reviendrons secondairement.

     Une nova, quant à elle, est une étoile qui, brutalement, voit son éclat extraordinairement amplifié, parfois jusqu’à dix fois sa valeur de base, avant, au bout de quelques jours, de revenir à sa brillance initiale. Il s’agit, en réalité, non pas d’une étoile mais d’un système binaire (voir le sujet : étoiles doubles et systèmes multiples) qui, à un moment de son existence, se trouve déséquilibré : on a le plus souvent affaire à un vieux système stellaire associant une naine blanche à sa compagne devenue une géante rouge (voir le sujet : mort d’une étoile). Cette dernière en gonflant démesurément va perdre une partie de sa masse au profit de la naine blanche qui la capte en formant autour d’elle un disque d’accrétion finissant par tomber à sa surface. Les gaz provenant de la géante rouge sont surtout de l’hydrogène et de l’hélium et la naine blanche, en raison de son énorme gravité, va les écraser. Ces gaz sont alors portés à des températures extrêmes au point, la masse critique une fois atteinte, d’entraîner une explosion thermonucléaire par transformation de l’hélium en métaux plus lourds : les gaz de surface sont alors projetés dans le vide, l’énergie libérée entraînant un éclat intense mais qui dure peu. Le phénomène se reproduira tant que la géante rouge aura des matières à fournir à la naine blanche (il arrive que, sous la violence du choc, la naine blanche explose mettant ainsi fin au processus).

     On connaît des novas qui ont déjà vécu plusieurs explosions successives toutes marquées par l’augmentation temporaire de leur éclat (cas, par exemple, de RS Ophiuchi qui a subi six « éruptions » depuis un peu plus de cent ans). A chaque fois qu’une explosion se produit, là où il n’y avait jusqu’alors rien dans le ciel, apparaît un astre nouveau, une nova, dont l’existence sera extrêmement brève. Les astronomes connaissent bien ce type d’objets mais ces novas, finalement pas assez intenses compte tenu de l’éloignement, ne sont pas celles que virent les anciens des siècles passés : il s’agissait presque toujours d’un autre type de phénomènes liés à ce qu’on appelle des supernovas.

Supernovas

     Effectivement, ce sont bien des supernovas que les anciens ont observé dans le passé car l’énergie dissipée par le phénomène est bien plus grande que les " simples novas " dont nous venons de discuter. Le rayonnement énergétique d’une supernova – et donc la brillance – est tel qu’il peut égaler celui d’une galaxie entière (qui, rappelons-le, renferme environ 200 milliards d’étoiles). C’est la raison pour laquelle on peut observer la « nouvelle étoile » en plein jour, même s’il s’agit d’une supernova ayant explosé dans une galaxie proche (comme, par exemple, la galaxie d’Andromède) pourtant séparée de la Voie lactée par des millions d’années-lumière. Quel peut donc être le phénomène qui conduit à une telle débauche d’énergie pendant des mois ?

     Il existe deux mécanismes différents :

* l’un correspond à ce que nous avons évoqué plus haut en parlant des simples novas : parfois, lorsque, dans un couple stellaire, le cadavre d’étoile qu’est une naine blanche « attrape » trop de matière provenant de son compagnon, il finit par exploser : on parle alors de supernova thermonucléaire (ou de type I);

* l’autre processus est bien différent : ici, pas de système binaire mais une énorme étoile en fin de vie, un astre dont la masse est supérieure à au moins huit masses solaires : nous avons déjà évoqué ce phénomène dans le sujet : mort d’une étoile. On parlera ici de supernova par effondrement de cœur (ou de type II).

     Voyons cela d’un peu plus près.

Processus conduisant à la formation des supernovas

          * supernovas de type thermonucléaire

     On a donc affaire à une naine blanche, dernier stade évolutif d’une étoile de masse inférieure à huit masses solaires (la grande majorité) qui, normalement, s’éteint progressivement pendant des milliards d’années jusqu’à devenir une naine noire, simple conglomérat de matière inerte. Toutefois, plus d’une fois sur deux, ce reste d’étoile fait partie d’un système multiple comprenant une autre étoile également en fin de vie mais à un stade moins avancé comme une géante rouge. L’expansion de cette géante, on l’a dit, provoque l’attraction de matière sur la naine d’où les phénomènes de simple nova. Toutefois, il arrive que la naine attire finalement trop de matière (on parle alors de limite de Chandrasekhar) et la pression interne de celle-ci devient trop faible pour contrebalancer sa gravité propre : la naine s’effondre sur elle-même entraînant l’allumage des atomes de carbone et d’oxygène qui la composent. A la différence des étoiles en cours de vie, la naine ne peut pas se dilater : les réactions de fusion s’amplifient et tout se termine dans une gigantesque explosion thermonucléaire, l’énergie alors libérée expliquant la soudaine luminosité.

          * supernovas à effondrement de cœur

     On l’a déjà évoqué par ailleurs, une étoile dont la masse est supérieure à huit masses solaires va terminer sa vie en étoile à neutrons. Ces étoiles, à la différence de leurs sœurs moins massives (comme le Soleil) qui meurent lorsqu’elles ont épuisé leur réserve d’hélium, sont le lieu de réactions plus complexes. Du fait de leur masse énorme, de nouvelles réactions nucléaires sont présentes chez elles qui conduisent en fin de cycle à la création d’atomes de fer, atomes très stables et incapables de fusionner. Ce cœur de fer ne peut que s’effondrer sur lui-même dans ce qu’on appelle une pression de dégénérescence pour aboutir à la formation de neutrons (d’où le nom d’étoiles à neutrons). Dans le même temps, les couches extérieures de l’étoile s’effondrent aussi et vont rebondir sur le noyau de fer incompressible. Le résultat ? Une terrible onde de choc qui va souffler l’enveloppe de l’étoile et l’expulser dans le vide à des vitesses considérables (plusieurs milliers de km par seconde). Cette extraordinaire débauche d’énergie fait briller l’étoile comme des milliards de soleils… Une fois l’intense luminosité passée, on ne voit plus, à l’endroit de l’explosion, que les restes en expansion rapide des couches externes de l’étoile : on parle alors de « rémanent de la supernova ». Ce sont ces restes que nos télescopes peuvent voir sous la forme de la nébuleuse du Crabe, derniers vestiges de la supernova de 1054.

          * hypernovas

     Les étoiles hypermassives (30 à 40 masses solaires) peuvent terminer leur vie en hypernova, c'est-à-dire se transformer directement en trous noirs : il s’agit là d’un phénomène encore hypothétique mais susceptible d’expliquer les sursauts gamma, ces explosions soudaines d’énergie figurant parmi les plus fortes de l’Univers.

Les novas, marqueurs de notre imaginaire

     Les apparitions soudaines de ces étoiles nouvelles ont profondément marqué l’imaginaire de nos ancêtres qui y voyaient une manifestation divine pour certains ou le présage annonciateur de catastrophes pour d’autres. Dans tous les cas, on craignait ces transformations inattendues du ciel. Et si les principales observations de tels phénomènes proviennent de l’Orient, c’est que, sous nos latitudes, jusqu’à la révolution copernicienne, on estimait que, selon les Ecritures, le ciel ne pouvait être  qu’immuable (voir le sujet : la Terre, centre du Monde). Rien ne devait bouger dans l’Univers supralunaire…

     Il s’agit pourtant de phénomènes parfaitement explicables et même nécessaires puisque la mort de ces étoiles massives permet l’ensemencement des galaxies en atomes lourds qui n’existaient évidemment pas avec la première génération d’étoiles, celles qu’on appelle « primordiales ». On pense même que notre propre système solaire a pu « s’allumer » à la suite de l’explosion d’une supernova proche… Quoi qu’il en soit, il est certain que sans ces astres du temps jadis le Soleil et son système planétaire ne seraient certainement pas ce qu’ils sont : un endroit propice à la Vie.

Images

1. ciel nocturne sur Flagstaff, Arizona (sources : apod.nasa.gov)

2. supernova 1994D dans la galaxie NGC5426 (sources : www.pixheaven.net)

3. nébuleuse du crabe (sources :  amicaldauphin.spaces.live.com)

4. dessin d'artiste d'un couple stellaire conduisant à une nova (sources : www.futura-sciences.com)

5. supernova 2005df (sources : en.wikipedia.org)

6. mécanisme de formation d'une supernova de type I (sources : en.wikipedia.org)

7. supernova de type II (sources : whillyard.com)

8. rémanent de la supernova Tycho de 1572 (sources : www.universetoday.com)

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

Mots-clés : nova de 1006 - nova de 1054 (nébuleuse du Crabe) - système stellaire binaire - naine blanche - géante rouge - disque d'accrétion - limite de Chandrasekhar - étoile à neutrons - rémanent de supernova - sursauts gamma - étoiles primordiales

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* la mort du système solaire

* les étoiles primordiales

* sursauts gamma

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Mise à jour : 8 mars 2023

    Observer l’Univers qui l’entoure, depuis le plus petit grain de sable jusqu’à l’étoile lointaine, a, de tout temps, passionné l’Homme. Une manière certaine de se situer, d’expliquer sa présence, d’anticiper son avenir peut-être. Mais l’observation n’est que le début : homo sapiens, grâce à son cerveau capable d’abstraction, a presque aussitôt cherché à le comprendre, cet Univers, à le décrypter, à l’interpréter. Pour cela, il devait identifier les grandes lois physiques et mathématiques qui expliquent son agencement. Durant des siècles, s’affranchissant peu à peu des obscurantismes et des préjugés, les scientifiques ont bâti des théories, accumulé des expériences, édifié des modèles, amassé patiemment certitudes et probabilités. Après Newton, c’est Albert Einstein qui, le premier, réussit à expliquer de façon convaincante l’une des quatre grandes forces de notre environnement, la gravitation, dans sa théorie de la relativité générale (voir sujet : théorie de la relativité générale). Les trois autres forces fondamentales (interaction faible, interaction forte et électromagnétisme : voir sujet : les constituants de la matière) furent unifiées par la mécanique quantique (voir sujet : mécanique quantique) quelques années plus tard. Tout est donc parfait ? Hélas non car ces deux théories, la relativité einsteinienne et la physique des quantas, sont complètement incompatibles... Or, si l’on veut vraiment connaître les mécanismes régissant l’Univers dont nous faisons partie, il est indispensable d’avoir une explication physique globale : il est en effet peu probable que l’Univers réponde à des lois différentes selon l’endroit ou les niveaux d’où on l’observe. Vers la fin du siècle dernier, un certain nombre de théories unificatrices ont vu le jour et la plus prometteuse d’entre elles semble être la théorie des cordes.

Genèse de la théorie des cordes

     Vers 1950, il n’était toujours pas possible de comprendre vraiment la physique des particules plus petites que l’atome, particules que l’on appelle des hadrons (il s’agit en fait de particules élémentaires comme les quarks constituant protons et neutrons eux-mêmes formant le noyau des atomes, les gluons responsables de l’interaction forte entre les quarks, etc.). Tout ce petit monde fort complexe est bien régi par la mécanique quantique mais sans que l’on ait d’explication véritable sur leurs interactions. Il faudra attendre 1973 et l’arrivée d’une nouvelle théorie, la chromodynamique quantique, pour y voir un peu plus clair mais de façon encore partielle.

     C’est environ 10 ans plus tard que l’on entend réellement parler de la théorie des cordes qui se propose – puisque les particules restent en grande partie mystérieuses – de les penser autrement : dans cette théorie, les entités basiques de la physique, ces fameuses particules subatomiques, ne sont plus considérées comme des objets ponctuels mais comme des cordes infinitésimales formant des boucles qui vibreraient en possédant une tension, tout comme un élastique dont la tension s’accroit au fur et à mesure qu’on l’étire. Rappelons-nous que chaque particule subatomique est identifiée par son spin, c'est-à-dire une caractéristique particulière qui lui est propre (comme, également, la charge électrique ou la masse) représentant ici l’énergie cinétique de la particule tournant sur elle-même autour d’un axe. La théorie des cordes prétend que ce sont ces vibrations à des fréquences diverses qui expliquent les variations de spins observées et donc les différentes particules. Du coup, les divers types de cordes et leurs vibrations multiples seraient à l’origine de toutes les particules élémentaires de notre univers. Bien entendu, la théorie s’appuie sur de savantes équations mathématiques (notamment la théorie des surfaces de Riemann) que je serais bien en peine ici d'expliquer… Quoi qu’il en soit, il s’agit là d’une remise en cause complète, et de notre perception, et de notre compréhension de la physique subatomique.

Une théorie séduisante mais pas encore démontrée

     Les spécialistes de la question le disent et on les croit : pour permettre l’unification des deux grandes physiques, la théorie des cordes doit satisfaire à trois conditions principales :

    1. toutes les particules subatomiques sans exception doivent entrer dans le cadre de la théorie ;

     2. la théorie doit parfaitement décrire la gravitation 

     3. ce qui entraîne le fait qu’il doit s’agir d’une théorie géométrique, seul moyen de prendre en compte  cette gravitation.

     Que disent les équations de la théorie des cordes ? Que les trois conditions qu’on vient de voir lui sont tout à fait accessibles… à la condition qu’on considère un espace-temps à au moins dix dimensions ! Ce qui pose problème puisque dans notre univers (en tout cas pour sa partie visible) il n’existe que quatre dimensions ! L’ennui est que lorsqu’on revient à quatre dimensions, l’unicité de la théorie si intéressante disparaît… La cohérence mathématique de la théorie exige donc plus de dimensions qu’il ne semble y en avoir dans notre monde : ses partisans nous affirment que, en réalité, ces dimensions supplémentaires existent bel et bien mais qu’elles sont enroulées au niveau microscopique, un niveau des millions de fois inférieur à celui de l’atome. Cette affirmation doit être évidemment prouvée avant de valider la théorie : le retour (mathématique) à un espace-temps à quatre dimensions est donc le grand défi que s’efforcent de vaincre les chercheurs actuels de la théorie des cordes.

Une théorie unificatrice et ses conséquences

     Une chose est en tout cas certaine : la théorie des cordes (qui est en fait l’amalgame de plusieurs théories prenant en compte des cordes de natures différentes) semble être l’entreprise conceptuelle actuellement la plus à même d’associer la gravitation à la mécanique quantique et il est donc normal que cette aventure – extraordinairement théorique – passionne non seulement les chercheurs de physique fondamentale mais également les mathématiciens… et les astronomes.

     D’ailleurs, comme le lecteur l’aura certainement remarqué, j’ai fait figurer ce sujet non pas en physique (comme la mécanique quantique, par exemple) mais dans la catégorie des sujets d’astronomie et il y a de bonnes raisons à cela : de grandes interrogations existent toujours sur des phénomènes astronomiques importants tout simplement parce qu’on ne sait pas associer mécanique quantique et relativité générale.

          *  C’est par exemple, le cas des trous noirs. Voilà des objets dont on connait l’existence et dont on peut même mettre en évidence la réalité (du moins de façon indirecte puisque, par sa seule présence, un trou noir modifie la partie d’univers qui l’entoure) mais qu’on ne sait pas expliquer complètement (voir sujet : trous noirs).

      Pour mémoire, je rappelle qu’un trou noir est le stade évolutif terminal de très grosses étoiles : en effet, si la masse d’une étoile dépasse quarante fois celle de notre Soleil (MS), son noyau résiduel dégénéré peut dépasser les trois MS. En pareil cas, les forces de répulsion des composants atomiques dégénérés (neutrons et protons) ne peuvent plus s'opposer à la compression des forces gravitationnelles et la matière s’écrase sur elle-même sans que plus rien ne s’y oppose : on aboutit alors à la formation d’un trou noir dont la principale caractéristique est qu’aucune matière – pas même la lumière – ne peut s’en échapper. Avant l’anéantissement, on peut observer le disque d’accrétion, sorte de dernier ballet de la matière appelée à disparaître et qui dessine les abords du trou noir par l’échauffement gigantesque qu’elle subit (ce qui permet de repérer le phénomène). Puis, cette matière est absorbée par le trou noir, sans espoir de retour, et le moment où elle bascule vers l’inconnu se situe à ce que l’on nomme l’horizon du trou noir, dernière ligne encore visible avant le néant. Que devient-elle ensuite ? Ni la physique quantique, ni bien sûr la relativité ne peuvent répondre. Voilà donc un domaine où la théorie des cordes pourrait nous rendre de sérieux services…

          * Un autre sujet – et non des moindres – qui passionne les astronomes, notamment ceux qui s’intéressent à la cosmologie, est le Big-Bang. Ou, pour être encore plus général, le début de notre univers. Dans le sujet dédié (voir : Big bang et origine de l’Univers), nous avions vu que, en remontant le temps jusqu’aux origines, à partir d’un certain moment appelé temps de Planck, très précisément à 10^-43 seconde après le début, les quatre forces fondamentales que nous avons évoquées plus haut sont fusionnées en une force unique, la supergravité. A cet instant, très court mais si important, les lois de la physique classique ne s’appliquent plus (ou pas encore). La théorie des cordes serait elle susceptible de nous aider à comprendre comment tout a commencé ?

     D’autres problèmes d’astronomie restent – si j’ose dire – en souffrance et on aimerait bien une théorie (en fait un ensemble de lois mathématiques conduisant à un modèle qu’il serait possible d’expérimenter par la suite) nous permettant de les expliquer…

La théorie des cordes a-t-elle un intérêt autre que… théorique ?

     La réponse est à l’évidence oui ! S’acharner à unifier des théories physiques compliquées en une théorie encore plus complexe ne relève pas d’un simple jeu mathématique pour quelques initiés, fussent-ils géniaux. Les retombées d’une telle entreprise, si elle devait aboutir, seraient considérables. Evidemment, comme on vient de le voir, ou pourrait en apprendre énormément sur notre Univers (et donc sur nous-mêmes) mais pas seulement. Il suffit de se rappeler combien la physique quantique a été décriée à ses débuts : certains scientifiques criaient à la mystification, ne pouvant comprendre comment on pouvait tirer des lois à partir du pur hasard ; d’autres riaient à la lecture de qu’ils considéraient comme un salmigondis. D’autres encore, plus sages peut-être comme le grand Einstein lui-même, préféraient attendre dans une prudente réserve teintée de scepticisme. Et pourtant ! Sans mécanique quantique, pas de contrôle de l’électron et donc ni transistors, ni informatique. Pas non plus de supraconduction et d’imagerie médicale de type résonnance magnétique nucléaire (IRM). Sans elle, on ne saurait toujours pas contrôler la lumière pour réaliser les faisceaux laser de nos lecteurs de DVD. Même chose pour les centrales nucléaires… La mécanique quantique, si mal comprise car si imprévisible et apparemment si contraire à notre logique, a transformé notre monde.

      Si l’on arrive à écrire des équations universelles de la théorie des cordes et à formaliser la théorie unificatrice, les conséquences pratiques – impossibles évidemment à imaginer aujourd’hui - en seront certainement considérables. Au-delà de la satisfaction d’avoir compris un peu plus notre univers, les transformations de notre quotidien seront telles qu’il faut souhaiter de l’intuition, beaucoup de patience et peut-être un peu de chance à ces chercheurs si particuliers.

Images

1. galaxie NGC 4945 (sources : www.eso.org)

2. constituants de l'atome (sources : abyss.uoregon.edu)

3. cordes (sources : hypersite.free.fr/)

4. univers multidimensionnel (sources : techno-science.net) 

5. dessin d'un trou noir (sources ; paturage.files.wordpress.com)

6. simulation des premiers instants de l'Univers (sources : irfu.cea.fr/)

7. homecinema (sources : le-showroom.ecranlounge.com)

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

Mots-clés :  relativité générale - mécanique quantique - hadron - quark - gluon - chromodynamique quantique - trou noir - Big bang - supergravité  - temps de Planck - théorie unificatrice de la physique - théorie des cordes (compléments)

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

Articles connexes sur le blog :

* Big bang et origine de l'Univers

* théorie de le relativité générale

* mécanique quantique

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 Mise à jour : 8 mars 2023