Cosmologie

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L'essentiel

Le système solaire comprend 8 planètes qui gravitent autour du Soleil ; certaines d'entre elles sont gazeuses, d'autres, à la croûte rigide, sont appelées planètes telluriques. Lorsqu'une planète s'interpose entre le soleil et une autre planète, elle plonge cette dernière dans son ombre ce qui provoque une éclipse. C'est le cas, pour notre Terre, de l'alignement Terre, Lune, Soleil, responsable des éclipses de Lune ou de Soleil. Notre connaissance de l'Univers passe par l'analyse des rayonnements émis par de lointaines étoiles, mais aussi par le recours à des satellites d'observation toujours plus performants.

La fiche

L'homme s'est très vite intéressé à l'organisation du monde qui l'entoure. En même temps que ses recherches l'ont mené à découvrir la structure microscopique de la matière, il s'est consacré à l'étude du système solaire et de l'univers plus généralement. En fait, les deux démarches sont très voisines : de même que dans l'atome, des électrons gravitent autour du noyau central, à une certaine distance ; de même les planètes gravitent autour du Soleil. Autour de la Terre gravite la Lune, satellite naturel de la Terre, responsable à distance du phénomène des marées. Les révolutions des planètes ou de leurs satellites ont une incidence sur notre vie quotidienne, qu'il s'agisse des saisons ou des éclipses par exemple. Enfin, dans sa volonté toujours plus grande de communiquer ou de conquérir l'espace, l'homme a recours à des satellites artificiels et actuellement à la construction d'une station spatiale internationale.
Présentation du système solaire
Bref historique des découvertes
Galileo Galilei, dit Galilée (1564-1642) est un physicien et un astronome italien. Il a jeté les fondements des sciences mécaniques, en énonçant notamment la loi relative à la chute des corps dans le vide (principe de l'inertie). S'intéressant aux planètes, il se construisit également une lunette afin de mener ses propres expériences. Mais, en 1633, il est condamné par l'Inquisition pour avoir soutenu les théories de Copernic et raillé le système astronomique ptoléméen en vigueur depuis l'Antiquité, selon lequel la Terre se trouverait au centre de neuf sphères concentriques portant les planètes et les étoiles. Le système ptoléméen était en effet géocentrique, contrairement au système réel héliocentrique (le soleil est au centre). On peut considérer que Galilée et son successeur Képler ont prouvé la réalité du système héliocentrique.
Plus tard, après la découverte, à la fin du xixe siècle, des propriétés de la lumière, les connaissances relatives à notre Univers vont vite s'enrichir, dans la mesure où l'on peut à distance prévoir la place ou la composition des planètes grâce à l'analyse des lumières reçues sur Terre.
Unité de distance astronomique : année de lumière
Une année-lumière est la distance parcourue par la lumière pendant une année. Contrairement à ce que son nom peut laisser croire, une année de lumière est donc une distance et s'exprime en mètres ou en kilomètres.
La célérité (ou vitesse) de la lumière dans le vide est c = 3 × 108 m\,\cdot\,s−1 (ou 300 000 km\,\cdot\,s−1). Pendant une durée t, elle parcourt donc la distance D = c × t.
En une année, la distance D parcourue est donc :
D = 3 × 108 × (365 jours × 24 heures × 3 600 secondes)
D = 9,5 × 1015 m, soit en kilomètres 9,5 × 1012 km.
On s'aperçoit très vite que cette unité est adaptée pour évaluer les distances qui nous séparent des autres planètes dans le système solaire.
Description du système solaire
Le système solaire comprend 8 planètes qui gravitent autour du soleil. En partant du soleil, on trouve successivement Mercure, Vénus, Terre, Mars, Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune. Entre Mars et Jupiter gravite aussi une ceinture d'astéroïdes. Au-delà de Mars, les planètes sont gazeuses ; les 4 autres (Mercure, Vénus, Terre et Mars) sont appelées planètes telluriques.
Connaissances cosmologiques
Cas particulier de la Terre et de la Lune
La Terre tourne sur elle-même en un jour et décrit une orbite quasi circulaire autour du Soleil en une année. Cependant, son axe de rotation n'est pas exactement perpendiculaire au plan de son orbite, il est incliné.
La lune tourne elle aussi autour de la Terrenb/>; elle met environ 29,5 jours pour revenir à la même place par rapport au Soleil, cette durée s'appelle une lunaison. Elle se lève à l'est et se couche à l'ouest. En raison du mouvement de la terre en même temps, les heures de lever ou de coucher de la Lune se décalent chaque jour.
Les aspects pris par la Lune au cours d'une lunaison s'appellent les phases de la Lune : nouvelle lune, premier quartier, pleine Lune et dernier quartier.
La masse m (exprimée en kilogramme) est une propriété fondamentale d'un objet ; au niveau microscopique, elle correspond au nombre d'entités microscopiques (atomes, molécules, ions) et à leurs masses individuelles. Cette propriété est donc indépendante de l'endroit où l'on se situe, que ce soit sur Terre ou sur la Lune. En revanche, cette masse n'est pas seule responsable de l'existence d'un poids, qui est une force d'interaction à distance, et qui fait intervenir une propriété de l'astre attracteur, à savoir son champ de gravitation g. Ainsi, le poids P peut s'écrire en norme, P = m\,\cdot\,g, si m est la masse de l'objet et g le champ de pesanteur créé par l'astre (Terre, Lune, etc). g est en N\,\cdot\,kg−1. g dépend de l'astre et n'a pas la même valeur au voisinage de la Terre qu'au voisinage de la Lune. Sur Terre, g est de l'ordre de 10 N/kg, et il est 6 fois plus faible sur la Lune. Ainsi, le poids des corps change en passant de la Terre à la Lune.
Émission lumineuse ou ondulatoire
Les planètes sont capables de réfléchir la lumière reçue de la part du Soleil. L'analyse de cette lumière renvoyée permet à distance d'identifier les éléments présents dans l'atmosphère ou à la surface des planètes. En effet, l'absorption de la lumière solaire est la signature des éléments présents.
Exemple : le bleu du ciel. En effet, les molécules présentes dans l'atmophère terrestre sont responsables de cette couleur : elles absorbent une partie de la lumière solaire reçue, et en réémettent une partie dans le bleu.
Éclipses
Les éclipses ont de tout temps fasciné voire effrayé les hommes. Il ne s'agit en fait que d'un simple jeu d'ombres. Une éclipse de Soleil est visible depuis la Terre dans les régions qui se trouvent dans le cône d'ombre de la Lune qui intercepte la lumière émise par le Soleil. La Lune cache alors en partie ou totalement le Soleil.
Exemple : éclipse du 11 Août 1999 en France.
En revanche, si la Lune passe dans la zone d'ombre de la Terre, il y a éclipse de Lune.
Alternance des jours et des saisons
En raison de l'inclinaison de l'axe de rotation de la Terre sur elle-même (axe des pôles) par rapport à la perpendiculaire au plan de son orbite (appelé plan de l'écliptique), il existe une différence observable entre la longueur des jours et des nuits, et une alternance des saisons. Cependant, les jours et les nuits peuvent être exceptionnellement d'égale durée partout sur Terre, au moment de l'équinoxe.
Exemple : l'équinoxe de printemps a lieu le 20 ou 21 mars.
Cette alternance rythme la vie des hommes et est à l'origine de l'élaboration des calendriers.
Applications à l'observation spatiale
Satellites d'observation géostationnaires
Il existe de nombreux satellites artificiels qui gravitent autour de la Terre. Les objectifs sont multiples : assurer les télécommunications (mobiles, positionnement GPS…) ; assurer l'observation d'objectifs précis (météorologie, couverture militaire, détection de séismes, cartographie…). Parmi eux, les satellites dits géostationnaires semblent immobiles par rapport à la Terre. Ils tournent en même temps qu'elle, dans le même sens et autour de l'équateur.
Astrophysique
L'étude de la composition des étoiles est du domaine de l'astrophysique. La plupart des étoiles comportent une atmopshère gazeuse, dont on détermine la composition chimique en analysant la lumière émise par l'étoile étudiée. On peut en déduire la température de surface et les élements responsables de l'absorption de lumière.
Horizon cosmologique
La lumière que nous recevons actuellement sur Terre n'est jamais celle qui vient d'être émise, car il faut un certain temps à la lumière pour se propager, en raison de sa célérité finie. Plus ce temps est long, plus la lumière émise provient de loin, et plus l'étoile est éloignée. Plus nous regardons loin dans l'espace, plus nous regardons dans le passé de l'Univers. C'est pourquoi l'homme cherche à envoyer des satellites d'observation spatiaux pour capter d'infimes rayonnements qui nous permettraient de remonter dans notre passé cosmologique.

Zoom sur…

Envoi du satellite Corot pour l'observation d'exoplanètes
Pionnier de l'observation stellaire et exoplanétaire, en avance sur les États-Unis, le télescope spatial européen Corot (pour convection, rotation des étoiles et transit planétaire) a deux missions précises : trouver des planètes hors du système solaire ressemblant à la Terre et plonger au cœur des étoiles. Expédié le 27 décembre 2006 depuis la base de Baïkonour au Kazakhstan, il a d'abord été mis en orbite autour de la Terre avant d'être propulsé pour une durée de plus de 2  ans dans l'espace dans le but de trouver des planètes rocheuses gravitant autour d'autres soleils que le nôtre et si possible pas tellement plus grosses que notre Terre. En effet, la première découverte d'une exoplanète date de 1995. Corot analyse la lumière reçue d'une étoile et la variation de sa luminosité qui peut trahir la présence d'une exoplanète. Dans le même temps, le télescope Corot détecte la présence d'ondes sismiques éventuelles à la surface de la planète trouvée.
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