Randonnée dans l'espace-temps

5 décembre 2014

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Plantons le décor

La Terre
Rayon moyen ~ 6 370 km Volume ~ mille milliards de km3 Masse ~ 6 millions de milliards de milliards de kg
Vitesse orbitale ~ 30 km/s

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La Lune
Satellite naturel de la Terre Rayon moyen ~ 1 736 km Volume ~ 22 milliards de km3 Masse ~ 73 mille milliards de milliards de kg Distance de la Terre ~ 400 000 km (~ 1,25 « seconde-lumière »)

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Le Soleil

Etoile « naine jaune »
Age : 4,6 milliards d’années
Rayon moyen ~ 696 000 km
(> 100 fois le rayon de la Terre)
Volume ~ 1 400 millions de milliards de km3
Masse ~ 2 000 milliards de milliards de milliards de kg (soit 99,86 % de la masse totale du système solaire)

Le système solaire

Quatre planètes telluriques :
Mercure, Vénus, Terre (+ Lune),
Mars (+ Phobos et Déimos)
Ceinture d’astéroïdes
Quatre planètes géantes :
Jupiter (67 satellites connus),
Saturne (plus de 150 satellites connus),
Uranus (27 satellites connus),
Neptune (14 satellites connus)

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Distance moyenne Soleil - Neptune ~ 4,5 milliards de km (~ 4 heures-lumière)
Ceinture de Kuiper Nuage d’Oort :
limite gravitationnelle du système solaire (diamètre ~ 3 années-lumière)
Planètes naines :
Cérès (ceinture d’astéroïdes), Pluton (+ Charon), Makémaké, Hauméa (ceinture de Kuiper), Eris (disque d’objets épars),…

+ Des milliers de satellites artificiels et des millions de « débris artificiels » d’origine humaine

Modèle cosmologique des premiers instants

(ironiquement et improprement baptisé « big bang »)

Friedmann - Lemaître - Hubble

L'Univers puiserait son existence d’une singularité initiale, voilà 13,7 milliards d’années.
Rien n’existe alors de ce que nous connaissons (matière, temps, espace).
Les conditions initiales (ère de Planck) demeurent théoriques.
La température est probablement colossale (de l’ordre de 1032 °K),
de même que l’énergie totale du « système ».
Les quatre interactions fondamentales sont unifiées
(électromagnétisme, interaction faible, interaction forte, gravitation).
Au temps théorique dit "mur de Planck",
les particules (quarks, électrons,…), qui constituent un plasma,
commencent à se combiner (protons, neutrons).
L’espace, le temps et la matière entrent en scène.
Il s’ensuit une phase d’expansion intense.
L'Univers est extrêmement dense, chaud et opaque.
Dans le premier quart d’heure,  les éléments les plus légers se forment :
hydrogène, deutérium, tritium, hélium, un peu de lithium…

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380 000 ans plus tard,
température et densité ont fortement diminué sous l’effet de l’expansion.
L’interaction entre photons d’une part, protons et électrons d’autre part, diminue. Matière et photons s’affranchissent les uns des autres.
L’univers devient transparent à la lumière.

150 millions d’années s’écoulent
avant que n’apparaissent les premières étoiles et embryons de galaxies.
La nucléosynthèse stellaire prend le relais de la nucléosynthèse primordiale
pour former les éléments chimiques par fusions successives.
Les premières étoiles, extrêmement massives et de durée de vie courte,
ensemencent le cosmos d’éléments nouveaux

Les différents types d’étoiles

Naine brune
masse < 0,08 masse solaire => pas d’amorçage thermonucléaire = étoile « manquée »

Naine rouge
masse comprise entre 0,08 et 0,8 masse solaire.
Très longue durée de vie. 80 % des étoiles de la Voie lactée

Naine jaune
comme le Soleil.
Évolution vers le type « géante rouge » quand hydrogène épuisé

Géante rouge
transforme l’hélium en carbone et oxygène avant de s’effondrer en « naine blanche »

Naine blanche
extrêmement dense (~ 1 tonne / cm3)

Géante bleue
masse > 10 fois la masse solaire. Durée de vie courte.
Évolution en « supergéante » rouge => synthèse de fer, nickel, chrome, cobalt, titane => explosion en supernova => étoile à neutrons

Étoile à neutrons
vestige d’étoile massive après explosion en supernova. Extrêmement dense.
N’a d’étoile que le nom : n’est plus le siège de réactions nucléaires.
Si son noyau est trop massif, elle se contracte et s’effondre en trou noir.

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Quelques autres « objets » du cosmos…

Comète
noyau de glace et de poussière, en orbite autour d'une étoile.
Lorsque son orbite la rapproche de son étoile, le noyau s'entoure d’une fine atmosphère brillante constituée de gaz et de poussières, appelée chevelure.
Dans le système solaire, les comètes proviennent de deux réservoirs :
ceinture de Kuiper et nuage d'Oort.

Astéroïde
corps composé de roches, de métaux et de glace,
qui peut mesurer de quelques dizaines de mètres à des centaines de kilomètres.
Une grande partie constitue la ceinture d’astéroïdes, sur une orbite située entre Mars et Jupiter.
Un autre groupe important orbite dans la ceinture de Kuiper.
Les astéroïdes dont l’orbite coupe l’orbite de la Terre sont potentiellement dangereux,
à cause du risque de collision.

Météorite
corps solide naturel qui entre dans l'atmosphère sans perdre toute sa masse
et entre en collision avec la surface planétaire.
Chaque année, on observe entre 5 et 25 chutes météoriques sur la Terre,
et on découvre 2 à 5 structures d'impacts.

Cheminement vers le concept de « relativité »

Galilée - Newton - Michelson - Morley - Lorentz - Poincaré - Einstein

La vitesse d'un mouvement dépend de la vitesse propre de l'observateur.

Tout corps isolé est immobile ou animé d'un mouvement rectiligne uniforme.

Une force F appliquée à un corps de masse m produit une accélération (F / m).

La loi universelle de la gravitation définit l’interaction gravitationnelle de deux corps.


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A la fin du XIXe siècle, Michelson puis Morley montrent que la vitesse de la lumière dans le vide est constante.
Quelle que soit la direction dans laquelle on mesure sa vitesse de propagation, quel que soit le référentiel depuis lequel on la mesure, quelle que soit la vitesse de la source émettrice, on trouve toujours c = 299 792 458 mètres/seconde (~ 300 000 km/s).

C’est une « constante de la nature ».

En totale contradiction avec la mécanique classique, ce constat conduit à reconsidérer toutes les lois physiques. Les travaux de Lorentz, Poincaré, Einstein… conduisent à la théorie de la relativité restreinte (Einstein, 1905). La vitesse de la lumière « c » est une limite infranchissable. Plus la vitesse s’approche de « c », plus il y a contraction des longueurs et dilatation des durées. Un mobile se déplaçant à la vitesse c ne « voit » pas le temps s'écouler.
Le « temps absolu » et l’« espace absolu » n’existent pas. Longueurs (espace) et durées (temps) dépendent de « l’état de mouvement » de l’observateur qui les mesure : elles sont relatives. Espace et temps sont dépendants l’un de l’autre au sein du « continuum espace-temps ».

Les photons ont une masse nulle. L’équation E = mc² voudrait qu’ils n’aient aucune énergie. Pourtant, ils en ont une puisqu'ils bougent… à la vitesse de la lumière !
Explication : la masse d'un corps augmente avec sa vitesse. Seuls les photons, dont la masse est nulle « au repos », peuvent atteindre la vitesse de la lumière. Le fait que rien ne puisse se déplacer plus vite que la lumière disqualifie le caractère instantané de la gravitation newtonienne.

Le champ gravitationnel résulte de la courbure du continuum espace-temps par la matière (relativité générale, Einstein, 1916).
Toute particule libre se déplace le long d'une géodésique. Le champ gravitationnel dévie les rayons lumineux. Le temps s'écoule d'autant plus lentement que le champ de gravité est intense : c’est la « dilatation gravitationnelle du temps ».

Quelques étranges mystères

Trous noirs
Lorsqu’une étoile s’effondre sur elle-même, il se crée un champ gravitationnel considérable qui forme un trou noir auquel rien n’échappe, même la lumière. Il est donc impossible de « voir » les trous noirs. Cependant, les trous noirs créent des « anomalies gravitationnelles » qui trahissent leur présence. Le centre de la Voie lactée est occupé par un trou noir supermassif, Sagittarius A, qui « avale » tout ce qui passe à sa portée.

Matière noire (23 % de l’Univers)
Des « anomalies » gravitationnelles révèlent l’existence d’une importante proportion de matière cosmique non visible. Cette « matière noire » soulève encore bien des interrogations.

Énergie sombre (72 % de l’Univers)
Responsable de l’expansion de l’Univers, elle s’oppose au champ gravitationnel résultant de la matière visible et de la matière noire.

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Un quasar est le noyau d’une galaxie massive lointaine. Sa source d'énergie provient du disque entourant le trou noir du centre galactique. Ce sont les objets les plus lumineux de l’univers.

Quelle sera (peut-être) la fin de l’histoire ?

Toutes les étoiles connaissent une fin cataclysmique : explosion, effondrement…

Dans 20 milliards d'années, l‘univers sera peuplé d'étoiles éteintes (naines blanches, étoiles à neutrons, trous noirs) et de quelques naines rouges résiduelles.

Le processus d’expansion résultant de l’action de l’énergie sombre se poursuivra sans fin, engendrant un Univers de plus en plus froid et vide (mort thermique).

Mais pour certains, la croissance de la vitesse d’expansion pourrait conduire à la destruction cataclysmique de l’Univers observable en un temps fini,…
dans 22 milliards d’années…

A vrai dire,… rien ne presse !

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