vendredi 20 novembre 2020

APM 20 : Dernières nouvelles de l'espace



 Expérience d'étirement du cerveau en visioconférence lors de l'atelier du 18 novembre du club APM Saint James sur le thème : dernières nouvelles de l'espace. Jean pierre Luminet nous a fait voyager comme jamais et vivre une véritable expérience de changement par cet étirement : la capacité de mieux accepter notre réalité dans l'ici et maintenant,  en la relativisant par le très lointain dans le temps et l'espace. Brillant et efficace.

L'astronomie est la plus ancienne des sciences (au moins 3000 ans av. J.-C).Nécessité pratique : établissement d’un calendrier ! Mais aussi : étonnement philosophique (rapport homme/univers)

❒ UNI-VERS vient des mots latins Unus - Versus, qui signifient Unité - Diversité.

Le but profond de l’astrophysique est d’expliquer la diversité par une unité sousjacente.


❒ La cosmologie est la science de l’univers considéré comme un tout. Le mot cosmos signifie en grec ancien « beau, esthétique, bien ordonné ». Au VIe siècle av. JC, Pythagore (puis Platon) a voulu chercher des lois pour décrire

l’ordre du monde è cosmos est devenu synonyme d’univers.


L'astronome observe, recense, classe et nomme les objets célestes,l’astrophysicien travaille sur leur nature et leur fonctionnement, le cosmologiste travaille sur les concepts d'univers, d'espace et de temps.


❒ Vocabulaire de base

✧ Une planète tourne autour d'une étoile (mais des étoiles peuvent tourner autour d’autres étoiles sans pour autant être des planètes !). Elle peut être rocheuse ou gazeuse, avoir une composition chimique identique à celle d’une étoile (hydrogène et hélium, comme Jupiter) ou très différente (comme laTerre). Elle ne brille pas par elle-même, mais se contente de réfléchir la

lumière de l’étoile.

✧ Une étoile est une boule de gaz chaude. La différence entre étoile et planète n'est qu'une question de masse. La gravitation met les étoiles en fusion parce qu'en leur centre, la température est suffisante (à 15 millions de degrés, l'hydrogène fusionne en hélium) pour lancer une réaction en chaîne dégageant beaucoup d'énergie. Même Jupiter (1000 fois plus massif que la Terre) est encore 10 fois trop légère pour être une étoile.

✧ Une galaxie est un ensemble de centaines de milliards d'étoiles.

L'univers dit observable, c’est-à-dire accessible à nos instruments, contient environ mille milliards de galaxies. L’univers global n'est pas un objet, mais un concept. On ne sait pas s’il est infini ou fini sans bord.


I – LES GRANDS MOYENS INSTRUMENTAUX

❒ Les grands moyens instrumentaux évoluent considérablement aujourd'hui. C'est grâce à eux que les sciences du ciel et de l'espace progressent fortement.


❒ Les télescopes du visible.

✧ Celui du Mont Palomar date de 1930. Son miroir fait 5 mètres de diamètre

✧ On découvre à cette époque

- qu'il sera difficile de faire plus grand d'un seul tenant.

- qu'il faut être aussi loin que possible des villes pour ne pas être gêné par les lumières et la pollution.

✧ La plupart des grands observatoires sont désormais implantés au Chili sur des sites exceptionnels (par exemple le Very Large Telescope européen de 4x8 mètres au Paranal, Alma à 5000 m d’altitude, etc)

Hawaï est un autre site exceptionnel où tous les grands pays observent.

Le télescope spatial Hubble s'affranchit totalement de l’écran atmosphérique en se situant en orbite. Cela permet d'avoir une image nette et non une tache de diffusion (halo) sur les photos d'étoiles. Son diamètre est de 2 mètres. Il sera bientôt mis hors service et remplacé par le James Webb Telescope, équipé d’un miroir de 6 mètres.

✧ Dans le même temps, sur Terre :

- on a construit des télescopes multimiroirs : avec plusieurs petits

diamètres, on obtient les performances d'un gros.

- Puis, on a créé des miroirs adaptatifs extrêmement minces (quelques

centimètres), de 8 mètres de diamètre par exemple; montés sur vérin et

capables de se déformer selon les caractéristiques précises de

l'atmosphère du moment. Pour calculer la déformation ad hoc, on crée dans le ciel une étoile artificielle (tir laser silicium) dont on connaît très précisément les caractéristiques, on mesure son aspect au sol, déformé par l'atmosphère du lieu, et l’on en déduit la déformation de correction à appliquer.

- Équivalent à un télescope en orbite, mais beaucoup moins cher !

✧ Le VLT (Very Large Télescope) est constitué de 4 miroirs, équivalant à 16 mètres de diamètre, avec optique adaptative. Il est plus performant que le Télescope Spatial (mais il se fait une publicité beaucoup plus discrète !).

✧ Des projets d’ELT (Extremely Large Telescope) de 40 mètres de diamètre sont en cours de construction au Chili.

Les télescopes de l’invisible.

✧ Le rayonnement électromagnétique est l'ensemble de tous les rayonnements de même nature que la lumière, c’est-à-dire portés par des photons, mais à des fréquences et donc à des longueurs d’onde différentes.

- Du moins énergétique (grandes longueurs d’onde, basses fréquences) au plus énergétique (courtes longueurs d’onde, hautes fréquences) :

Radio - Micro-ondes - Infrarouge - Visible - Ultraviolet - Rayons X et Gamma


À chaque domaine de fréquence correspond une astronomie spécifique.

- Le radiotélescope de Nançay travaille en ondes radio. Aux USA, le Very Large Array a des antennes sur 27 kilomètres. Il fonctionne sur toutesles ondes radio, mais peut aussi se concentrer sur une raie précise ;comme la raie 21 centimètres, celle de l'hydrogène neutre, la plus transparente, celle donc sur laquelle nous recherchons d’éventuels signaux d’intelligences extraterrestres (voir partie IV). On peut faire fonctionner en mode dit interférométrique des radiotélescopes installés en des lieux différents, de façon à avoir l’équivalent d’un radiotélescope unique ayant la taille du réseau. Ainsi, l’Event Horizon Telescope, qui a

fourni en avril 2019 la première image télescopique d’un trou noir, a une

taille planétaire.

Chaque rayonnement suppose une technologie particulière de détecteur.

- Comme le rayonnement radio a des grandes longueurs d’onde, un simple

grillage suffit.

- Le rayonnement X ne peut pas voir les étoiles rouges et froides, comme Aldébaran, mais voit les vestiges de supernovae ou les naines blanches très chaudes comme le compagnon « invisible » de Sirius (qui ne fait que quelques milliers de kilomètres de diamètre).

- Certains rayonnements ne parviennent pas jusqu'au sol (infrarouge lointain, ultraviolet, rayons X et gamma). Ils sont bloqués par l'atmosphère, c'est pour cela qu'on doit envoyer des télescopes en orbite.

- Certaines planètes émettent du rayonnement radio, mais en général elles se contentent de réfléchir le rayonnement visible du Soleil. En revanche, les étoiles et les galaxies émettent sur toutes les gammes de rayonnement.

- Tous les astres ne sont « vus » que dans leur passé, car on ne capte que leur lumière, qui se déplace à vitesse finie (300 000 kilomètres/seconde).

- Unité de distance : l’année-lumière est la distance parcourue par la lumière en une année (à peu près 10 000 milliards de kilomètres).

- Une étoile à 1000 années-lumière est vue telle qu’elle était il y a 1000 ans, une galaxie à un milliard d’années-lumière est vue telle qu’elle était il y a un milliard d’années. Pour les étoiles, le décalage est négligeable (leur temps de vie est beaucoup plus grand que mille ans sauf pour les

supernovæ, des étoiles qui explosent). Mais on peut être certain que tous les quasars (des galaxies brillantes très lointaines) sont tous éteints aumoment où on les observe !

✧ Le passage de l'astronomie à l'astrophysique vient de la spectroscopie (seconde moitié du XIXe siècle). La spectroscopie décompose la lumière selon ses différentes fréquences, ses « couleurs » : le bleu est le rayonnement le plus chaud, le rouge est plus froid.

- La spectroscopie permet de savoir de quoi sont composés les astres.Les petites longueurs d'onde correspondent au bleu /violet ; les grandes longueur d'onde au rouge. L'absence de couleur sur une longueur d'onde précise (raie noire dans le spectre) signifie que la lumière a été absorbée par un atome. Or, chaque atome est caractérisé par un ensemble de raies

spécifiques, sorte de « code barre » qui permet de repérer les

éléments chimiques.

- Grâce à l'effet Doppler, la spectroscopie permet aussi d'étudier le mouvement des objets. Le spectre se décale vers le bleu si la source s'approche et vers le rouge si la source s'éloigne. C'est grâce à ces méthodes qu'on a découvert les trous noirs, par leurs effets sur l'orbite

de leurs étoiles compagnonnes. C'est aussi ainsi qu'on découvre les planètes autour des étoiles autres que le Soleil (Jupiter, par exemple,induit une oscillation du soleil de 15 mètres/seconde autour de son centre de gravité).

- C'est aussi grâce à cet effet que l'on a pu développer la théorie du Big Bang. On s’est en effet aperçu que les galaxies ont toutes un rayonnement « décalé vers le rouge » donc elles s'éloignent apparemment les unes des autres, et ce, d’autant plus vite qu’elles sont

plus éloignées.

✧ On observe aussi des neutrinos, particules élémentaires émises dans des processus énergétiques, prédites par la théorie avant d'avoir été observées au laboratoire.

- Le neutrino a la particularité de traverser la matière comme si elle n'existait pas, car il ne sent pas les champs électromagnétiques, qui déterminent la « solidité » de la matière usuelle. Pour avoir une petite chance d'en capter un, on place des capteurs à quelques kilomètres de profondeur sous les roches, là ou rien d'autre que les neutrinos ne parvient. Ces télescopes à neutrinos sont de simples piscines (d’eau, de tétrachlorure de carbone…), dont les molécules traversées par les neutrinos vont réagir en créant une gerbe de particules. Les neutrinos

donnent accès à des zones inaccessibles aux autres rayonnements, par exemple le coeur du soleil. Surprise : les modèles astrophysiques du soleil prévoyaient 33% de neutrinos en plus. L'écart vient de la masse du neutrino, qui a une toute petite valeur non nulle alors qu'il n'était pas réputé ne pas en avoir. Intéressant exemple de lien entre l’astrophysique et la physique des particules.

- En 1987, une explosion d’étoile dans le Grand Nuage de Magellan, galaxie à 170 000 années-lumière, a donné naissance à une supernovaDes détecteurs de neutrinos étaient branchés, et ils ont détecté 12 neutrinos issus de cette explosion de supernova, arrivés quelques

heures avant la lumière même de l'explosion ! Comment est-ce possible ?

- Tous les rayonnements électromagnétiques se déplacent à la même vitesse dans le vide. Mais dans un milieu matériel, la lumière est « freinée » parce que le photon interagit avec les champs

électromagnétiques de la matière. Par exemple, un photon émis au coeur du Soleil met … 10 millions d'années pour sortir du soleil, alors que dans l’espace vide, il ne mettrait que 2 secondes. Puis il met 8 minutes pourparvenir à la terre. Le neutrino solaire, lui, file pratiquement à la vitesse maximale car il n’interagit pas. Il nous vient donc du coeur du Soleil en 8

min 2 secondes et donne une image « quasi instantanée » du réacteur nucléaire solaire.


✧ Le dernier messager de l'univers est le rayonnement gravitationnel.

- La théorie de la relativité explique que l'espace est représentable commeun tissu élastique, dont les courbures locales sont dues aux corps célestes. Des ondes gravitationnelles sont créées par les déplacements des corps célestes dans ce tissu, un peu comme un bâton remué dans l'eau crée une onde. Les ondes gravitationnelles se déplacent à la vitesse de la lumière dans le vide (300 000 km/s) ; elles se manifestent sous forme d’une variation infime de la taille des objets qu’elles traversent. Au passage d'une onde gravitationnelle, une barre sur terre

varie de longueur, mais de manière infinitésimale : le plus cataclysmique événement stellaire (une fusion de trous noirs) ne crée qu’une variation relative de longueur de 10-21 ! On peut malgré tout tenter d’observer ce décalage par un interféromètre gravitationnel: 2 miroirs distants de plusieurs kilomètres sur lesquels on envoie un faisceau laser. S’il n'y a pas de perturbation, le dispositif est réglé de façon à ce qu’il n’y ait pas de frange d’interférence. Sinon, on mesure une variation de distance entre les miroirs. Les ondes gravitationnelles ont été détectées pour la première fois en 2015, par les interféromètres LIGO installés aux Etats-Unis. Elles ont permis d'observer la fusion de deux trous noirs. Depuis, l’interféromètre franco-italien VIRGO a étendu le réseau, et de nombreuses autres fusions de trous noirs ont été observées. La détection

des ondes gravitationnelles est l’astronomie du futur.


1 – LE SYSTEME SOLAIRE

Le Système solaire est composé de neuf planètes, d'une soixantaine de satellites de

planètes, de quelques millions de petits corps appelés astéroïdes, et de milliards de comètes, qui gravitent autour d’une étoile centrale - le Soleil -, circulant et interagissant avec le vent solaire et son champ magnétique.

❒ Les 8 planètes du système solaire

✧ Dans l'ordre :

Mercure - Venus - Terre - Mars - Jupiter - Saturne - Uranus - Neptune

✧ Il y a deux types de planètes :

- 4 de type terrestre (rocheuses), petites et proches : Mercure, Vénus, Terre et Mars

- 4 de type gazeux, géantes et lointaines : Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune. Elles possèdent des anneaux plus ou moins importants (vestigesde leur formation)

- Pluton, qui est lointaine mais rocheuse, est une exception : elle n’est plus considérée comme une planète principale, mais comme une « planète naine ». En 2015 Pluton a été survolée par la sonde spatiale New Horizons qui a pris des photos et des films fantastiques. La sonde a poursuivi son voyage dans le système solaire lointain à la rencontre de petits corps glacés

comme « Ultima Thulé ».

On a longtemps cru expliquer la nature rocheuse des planètes rocheuses par leur proximité au Soleil : le rayonnement intense de ce dernier aurait permis de volatiliser leurs gaz (hydrogène, hélium), présents à l’origine dans toutes les planètes. Mais la découverte récente de planètes « extrasolaires » (en orbite autour d’autres étoiles), géantes, très proches de leur étoile mais

pourtant gazeuses, remet peut-être en cause ce modèle (à moins qu’elles ne soient systématiquement observées que jeunes, avant d’être évaporées).

Moralité : il faut se méfier du « bon sens » et des prétendues « évidences ».


Trois grandes questions :

- La recherche d’eau (et de vie fossile ?)

- L’origine du système solaire

- Le sort de la Terre (impacts météoritiques, climats)


❒ Recherche d’eau

✧ L’eau à l’état liquide est signe favorable pour le développement de la vie.

Mars a eu de l'eau en abondance il y a 3,5 milliards d'années (traces : canyons, canaux, érosion). A la même époque et dans les mêmes conditions, la vie s’est développée sur Terre. Pourquoi pas sur Mars ? On cherche donc des bactéries fossiles au cours des explorations spatiales et dans les météorites de Mars tombées sur Terre. Si on en trouve, cela impliquera que la vie existe probablement partout dans l’univers ! En 2020, profitant d’une « fenêtre de tir favorable », plusieurs missions spatiales comportant des rovers équipés de foreuses vont être lancées sur Mars.

✧ On pense qu'il peut y avoir encore des écoulements d'eau liquide dus à des phénomènes géologiques qui la font remonter en surface et la voient se transformer instantanément en glaces.

Europa, gros satellite de Jupiter, est comme une boule de billard glacée et fracturée, qui pourrait receler un océan d'eau liquide tiède. Et donc peut être de la vie primitive (grâce à l’énergie interne de la planète). Il en va de même de la plupart des satellites de Jupiter et de Saturne. Dans les 20 prochaines années, une mission ira explorer l’océan souterrain d’Europa.

Titan, un gros satellite de Saturne, est doté de la même atmosphère que la terre primitive (« mise au congélateur ») : azote et méthane, plus des molécules organiques. Il pourrait donc aussi y avoir une vie primitive. Une sonde spatiale (mission Cassini Huygens) partie en 1997 est parvenue à se poser sur Titan en janvier 2005 et a fait les premières analyses in situ du sol et de l’atmosphère de Titan.

✧ Les comètes sont constituées de blocs de roches et de poussières amalgamées par des glaces (d’eau, de CO2, etc.). Leur noyau mesure quelques kilomètres, mais leur chevelure (gaz volatiles) est longue de plusieurs millions de kilomètres.

- Très au-delà de Pluton, il y a un ou plusieurs réservoirs de comètes (1000 milliards...), dont un bloc se détache de temps en temps et crée une comète qui tombe vers le soleil.

- Comme elles ont de l’eau en abondance (et des hydrocarbures, des acides aminés), les comètes ont peut-être apporté l’eau et les « briques de la vie » sur Terre.

- A chaque passage près du Soleil une comète s’use, et elle peut finir en astéroïde ou par se disloquer (500 passages). Les plus grosses comètes survivent à de nombreux passages (la comète de Halley revient tous les 76 ans).

- Les étoiles filantes sont des grains cométaires d'un micron issus d'anciennes queues de comètes dont l’orbite croise celle de la Terre (d’où les « pluies » d’étoiles filantes à dates fixes : Perséides entre le 9 et 13 août, etc.).

- La mission spatiale Rosetta, lancée en mars 2004, s’est posée en 2015 sur une comète pour y déchiffrer les « hiéroglyphes » du Système Solaire. En juillet 2005, la mission Deep Impact a fiché une pique dans un noyau cométaire pour faire jaillir de ses entrailles un geyser de gaz et de poussières, lequel a ensuite été observé et analysé.


Origine du Système Solaire

✧ Il y a 4,5 milliards d'années, tout le système solaire s'est formé sous l'effet de l'explosion d'une grosse étoile (supernova) dans le voisinage, qui a déstabilisé le nuage gazeux (nébuleuse protosolaire). Le nuage de départ s'est condensé en un centre - qui, en se concentrant, a créé le soleil - et un disque périphérique de gaz et de particules, dont les grumeaux ont créé rapidement

les planètes, les comètes et les astéroïdes.

✧ La masse gazeuse de départ tournait déjà, car le repos n'existe pas dans l'univers.

✧ Les planètes proches du soleil n'ont pas gardé leurs éléments volatiles.

✧ On peut dater très précisément la naissance du système solaire grâce aux météorites : 4,566 milliards d’années. La météorite Allende garde la trace de l’explosion de supernova qui a engendré le système solaire. Elle est donc plus vieille que le Soleil et la Terre ! 

✧ Après sa formation, la Terre et les autres planètes ont été bombardées par un

déluge de comètes et de météorites, pendant 600 millions d’années. Après le « déluge », les océans liquides se sont formés et la vie est apparue.

Le sort de la Terre

✧ Sans « chauvinisme », c’est la plus belle planète du Système Solaire, car c'est la seule à avoir un système terre-océan-atmosphère en interaction. C’est une machine thermique complexe, dotée d’un champ magnétique important.

Question : cette machine est-elle fragile ?

✧ La Terre est bombardée par des météorites (500 tonnes par jour), des

comètes et des astéroïdes (géocroiseurs). Evénements récents : Oural, 2013

(17 mètres), Tunguska, 1908 (50 mètres). Meteor Crater, 50 000 ans (30

mètres).

- En 1994 on a vu en direct la comète Shoemaker-Lévy se désintégrer en 21 morceaux sous l'effet de l'attraction énorme de Jupiter, et disparaître en plongeant dans l’atmosphère de la planète.

- La probabilité d’un choc entre la Terre et un géocroiseur de 10 km de diamètre est de 1/100 millions d’années. 10 km est la « taille critique » : le choc engendre un nuage de poussières qui bloque la lumière solaire pendant plusieurs années, d’où rupture de la chaîne alimentaire (mort des végétaux et de tout ou partie des espèces vivantes). C’est ce qui s’est probablement passé il y a 65 millions d’années pour la disparition des dinosaures. On a retrouvé le cratère d’impact (Chicxulub, au Mexique).

- Pour se prémunir contre les risques d’impact, il existe des réseaux de

surveillance, SpaceWatch. En cas de détection, il serait plus judicieux de

dévier la trajectoire plutôt que de désintégrer le corps. De deux choses

l’une : soit le météore est suffisamment gros pour être détecté longtemps

avant l’impact, mais nous n’avons pas encore la puissance de feu

suffisante pour le dévier ; soit il est plus petit, mais on risque de ne pas le

détecter assez tôt pour agir !

- L’astéroïde n°5523 découvert en 1991 au Mont Palomar porte le nom de Luminet en hommage à ses travaux.

- Un aspect fascinant des astéroïdes est leur future exploitation industrielle en termes de matières premières. Des start-ups existent depuis 2012.

✧ Les climats à long terme de la Terre (sujet généralement non traité en séminaire sauf sur demande) sont liés à 2 facteurs :

- La forme de l’orbite de la Terre autour du Soleil, qui varie au cours du temps entre un cercle et une ellipse avec une période de 100 000 ans

- L’inclinaison de son axe de rotation, qui varie autour de 23° avec une période de 26 000 ans.

- Ces variations créent des périodes de plus fort contraste entre les saisons, avec des phases de glaciation et des phases de désertification (théorie astronomique des climats). La dernière glaciation remonte à 11 000 ans. On s'éloigne de la dernière glaciation et donc on se rapproche d’une autre période glaciaire prévue dans 40 000 ans.

Mais...


- Le réchauffement sur le dernier siècle est de 1 degré, dont les 9/10ème dans les 5 dernières années, essentiellement dû à l'activité industrielle (émission de gaz à effet de serre). Ce réchauffement pourrait faire disparaître la prochaine glaciation !

- Autres causes : affaiblissement du bouclier magnétique du Soleil,variation de l’activité solaire (« mini-ère glaciaire » sous le règne de LouisXIV). Les spécialistes s’opposent sur les deux causes du réchauffement (endogène ou exogène) le principe de précaution (protocole de Kyoto,

etc.)