TOUT l'UNIVERS tient dans notre (petite) TÊTE ! Ordres de grandeurs des objets astronomiques et de leurs distances

Quelles sont les unités de distance utilisées en astronomie ?

Les distances sont des longueurs Les anciennes unités de longueurs s’appelaient le pied… Dont la longueur dépend de beaucoup de facteurs…

Quelques définitions du pied : Le pied est une unité de longueur d’approximativement 30 centimètres, correspondant à la longueur d’un pied humain d’une pointure 45 environ. Dans l’Antiquité, le pied était régulièrement divisé en seize doigts ou quatre paumes. Le pied romain était de 29,64 cm. Depuis le Moyen Âge, on commença à diviser le pied par douze, ce qui donna le pouce. Le pied du Roy de France était de 32,48 cm (pointure 48¾) et le pied anglo-saxon est de 30,48 cm. Source : wikipedia

Bref… tous ces pieds, c’est casse-pied… Le pied anglais du système d'unité impérial est une unité de mesure directement déduite des systèmes de l'Antiquité. Le pied anglais vaut – du moins en théorie – exactement le 16/28 d'une mesure connue dans l'Antiquité appelée « pechys basilikos ». Cela correspond au 36/35 du pied romain ou encore au 15/16 du pied français. Bref… tous ces pieds, c’est casse-pied… un véritable casse-tête quand on va d’un pays à l’autre Heureusement … on a eu les Lumières du XVIIIe siècle…………. Source : wikipedia

Ils ont utilisé la mesure de la Terre

Dans le monde scientifique, y compris aux Etats-Unis depuis 1996, le système métrique décimal (SI) est aujourd'hui le système de référence. Le mètre du 36 rue de Vaugirard, un des 16 étalons gravés dans le marbre et mis en place dans Paris en 1795 pour familiariser la population avec la nouvelle unité Le mètre fut officiellement défini pour la première fois en 1790 par l’Académie des Sciences comme étant la dix-millionième partie d'un quart de méridien terrestre La barre de platine iridié utilisée comme prototype du mètre de 1889 à 1960

d'où l’on déduit que la Terre a une circonférence de 40 000 km

Son diamètre est donc égal à …

Alors que le diamètre de la Lune vaut 3500 km

en diamètre la Lune est environ 3,6 fois plus petite que la Terre

la Lune est à une distance de…. ……384 000 km…….. C’est environ 30 fois le diamètre de la Terre

On récapitule Lune Distance Terre-Lune 384 000 km Diamètre : 3500 km

Le système Terre-Lune filmé par une sonde Mariner dans les années 1970

Jusqu’ici on a utilisé comme unité de distance le kilomètre C’est encore avec le km qu’on exprime les diamètres de toutes les planètes

Les quatre planètes telluriques mercure vénus mars 4 900 km 6 800 km 12 100 km ………

Les quatre géantes gazeuses (diamètres) 50 500 km 138 000 km 49 100 km 115 000 km 2 300 km 2 400 km (planètes naines)

1 400 000 km Et le soleil ? C’est énorme ! C’est 110 fois le diamètre de la Terre mais en volume 1 300 000 fois celui de la Terre c’est pourtant une étoile naine…

La distance du Soleil à la Terre ………………………

150 000 000 km 150 millions de km C’est 400 fois la distance Terre-Lune

Distances au Soleil des autres planètes En millions de kilomètres

On voit qu’après Jupiter, ces distances sont de l’ordre du milliard de km Les astronomes préfèrent utiliser une nouvelle unité plus commode à l’intérieur du système solaire Cette unité s’appelle l’Unité Astronomique, dont le symbole est UA en français, et AU chez les anglosaxons Elle vaut 150 000 000 km

La distance Terre-Soleil varie un peu au cours de l’année L’orbite de la Terre est une ellipse quasiment circulaire comme le montre ce dessin à l’échelle La distance Terre-Soleil varie entre 147 545 686 km et 152 098 847 km

Plus exactement L’unité astronomique (symbole ua) correspond à la distance moyenne entre la Terre et le Soleil. Elle vaut exactement : 149 597 870 ,691 km ± 30 m. On retient qu'une unité astronomique mesure environ 150 millions de kilomètres. Cela représente un parcours d'une durée d'un peu plus de 8 minutes à la vitesse de la lumière.

Avec cette unité, la distance de la Terre au Soleil vaut 1 40 30 19 9,5 5,2 Si on exprime les autres distances en UA, cela permet de les comparer à la distance Terre-Soleil 1,5 1 0,72 0,4

On récapitule * Mercure : 0.4 ua * Vénus : 0.72 ua * Terre : 1 ua * Mars : 1.5 ua * Jupiter : 5.2 ua * Saturne : 9.5 ua * Uranus : 19.2 ua * Neptune : 30 ua * Pluton : 39.4 ua

Le système solaire s’étend bien au-delà de Pluton On sait qu’entre Mars et Jupiter existe une ceinture d’astéroïdes (dite ceinture principale), entre 2 et 3 UA du Soleil. Il y en a une autre située juste après l’orbite de Neptune, nommée la ceinture de Kuiper, entre 30 et 55 UA du Soleil. Il en existe une troisième beaucoup plus éloignée du Soleil, appelée le nuage de Oort, et qui s’étendrait jusque vers 150 000 UA du Soleil.

La ceinture principale

La ceinture principale

La ceinture de Kuiper et le nuage de Oort

Vue d’artiste, dans la ceinture de Kuiper Copy site Ciel&Espace

Le nuage de Oort

Le nuage de Oort a une forme complexe 150 000 UA, c’est une distance qui est de l’ordre de grandeur de celle qui est parcourue par la lumière en une année

L’année-lumière L’année-lumière (symbole al) est une unité de distance utilisée en astronomie. Une année-lumière est la distance parcourue par un photon (ou plus simplement la lumière) dans le vide, en une année julienne (365,25 jours ). La vitesse de la lumière dans le vide étant de 299 792 458 m/s, une année-lumière vaut en km : 299 792 × 86400 × 365,25 (car il y a 86 400 s dans un jour) Le résultat est 9 460 730 472 580 km ≈ 9 460 milliards de km On retient qu’une année-lumière vaut environ 10 000 milliards de km.

Avec cette unité, le nuage de Oort s’étend jusqu’à 150 000 × 150 000 000 km = 22 500 milliards de km C’est-à-dire en al : 22 500 / 9 500 = 2,3 al Or les étoiles les plus proches du soleil sont situées à environ 4 AL. On voit que ce nuage est aux confins de notre système solaire, et que les objets qu’il contient sont aussi sous l’influence gravitationnelle des étoiles voisines.

Encore une nouvelle unité : le parsec… L'année-lumière est rarement utilisée par les [astronomes professionnels, qui préfèrent le parsec (symbole pc). Un parsec équivaut à 3,26 années-lumière. Son nom vient de la contraction de « parallaxe-seconde ». Cette unité provient de la méthode qu’ utilisent les astronomes pour mesurer les distances des étoiles, dite « méthode de la parallaxe  ».

La parallaxe Depuis le point P on voit le rayon de l’orbite de la Terre sous un angle de 1 " . On dit alors que P est à une distance du Soleil de 1 parsec. Un petit calcul de trigo permet de transformer le parsec en année-lumière et donne : 1 pc = 3,26 al

La parallaxe des étoiles Les premières mesures de distance interstellaire (l'étoile 61 Cygni par Bessel en 1838) furent effectuées en utilisant le diamètre de l'orbite terrestre comme référence. Le parsec dériva de cette méthode. L'étoile la plus proche du Soleil, α Cen C (Proxima Centauri), se trouve à 1,316 parsec (4,28 années-lumière). Les distances des autres objets célestes n'appartenant pas au système solaire sont bien plus grandes et se mesurent couramment en kiloparsecs (symbole kpc) ou mégaparsecs (symbole Mpc).

La parallaxe des étoiles Les parallaxes ont des valeurs faibles : 0,76" pour Proxima Centauri ; aussi, la méthode parallactique ne permet guère de déterminer des distances stellaires supérieures à 100 parsecs environ, ce qui correspond à des mesures de parallaxe inférieures à 10 millisecondes d'arc. Entre 1989 et 1993, le satellite HIPPARCOS, lancé par l‘Agence Spatiale Européenne, a mesuré la parallaxe d'environ 100 000 étoiles avec une précision supérieure à la milliseconde d'arc, ce qui a permis de déterminer la distance d'étoiles éloignées de nous de plus d'un kiloparsec.

Les étoiles proches dans un rayon de 12 AL autour du Soleil

Les étoiles proches, dans un rayon de 20 AL (environ 80 étoiles dans un rayon de 20 al autour de nous)

Dans un rayon de 50 AL (environ 130 étoiles autour de nous à moins de 50 al)

à 250 AL

2000 al on est entouré d’amas ouverts et de nébuleuses

5000 al

Notre galaxie diamètre 100 000 al

Notre galaxie vue de dessus (c’est un dessin)

Les amas globulaires

La place du Soleil dans notre galaxie :

Aspect des amas globulaires Ils renferment entre 100 000 et plusieurs millions d’étoiles dans une boule de 100 à 200 al M13 : 800 000 étoiles dans 150 al Oméga Cen : plusieurs millions dans 100 al

Les galaxies naines satellites de la Voie Lactée une douzaine dans un rayon de 500 000 al

Le grand nuage de Magellan Distance : 180 000 al

Le petit nuage de Magellan Distance : 210 000 al

Les galaxies proches : la grande galaxie M 31 dans Andromède Distance : 2,5 millions d’al

La galaxie M 33 dans le Triangle à près de 3 millions d’al

Le groupe local 25 galaxies dans un rayon de 5 millions al

Le superamas local ou superamas de la Vierge environ 10 000 galaxies, réparties dans une centaine d’amas Diamètre : 200 millions al

Les super-amas de galaxies

Les superamas de galaxies Rayon : 500 millions al

L’amas de Persée

Dans l’amas Virgo-Coma La chaine de Markarian : distance de 50 à 65 Mal

Les amas lointains Rayon : 2 milliards al

Un amas très lointain Distance : 2 milliards al

Une tranche d’univers Chaque point est un amas de galaxies

Tout l’univers… 13 milliards al Les grumeaux sont des superamas de galaxies 13 milliards al

Et après…. plus rien

Tout l’univers en expansion… La voie lactée est dans un grumeau formé par le super-amas local

Voyage… (pour déclencher le film, cliquer sur l’image qui va suivre)

Pour finir… une anecdote De l’intérêt de s’entendre sur les mêmes unités de mesure… L’histoire de « Mars Climate Orbiter » : Un petit tour, et puis s'en va ... Comment perdre 125 millions de dollars

La sonde martienne Climate Orbiter

Devait se mettre en orbite autour de Mars… …pour devenir le premier satellite météorologique martien. On attendait beaucoup de ses deux instruments. Sa caméra moyenne résolution devait nous retourner des images du globe martien en couleurs, identiques à celles présentées chaque jour dans les bulletins météorologiques terrestres. Le deuxième instrument, un radiomètre, avait pour objectif l'étude de l'atmosphère (pression, température, vapeur d'eau, poussière).

La manœuvre d'insertion orbitale Le 23 septembre 1999 à 10:41 heure française débutait la mise en orbite de la sonde Mars Climate Orbiter. La manœuvre d'insertion en orbite martienne était l'une des phases les plus critiques de la mission. La sonde suit à ce moment là une procédure entièrement automatique et lorsque la manœuvre commence, plus rien ne peut stopper son déroulement.

…commence avec l'arrivée de la sonde sur la planète Mars. La mise en orbite… …commence avec l'arrivée de la sonde sur la planète Mars. Au point A, Mars Climate Orbiter suit encore sa trajectoire initiale, qui doit l'amener à survoler le pôle nord de Mars à une altitude d'environ 140 km. Lors du survol, le moteur de la sonde est mis à feu (B) dans le but de la ralentir suffisamment pour permettre sa capture par le champ de gravité de Mars.

La mise en orbite… suite Cinq minutes après l'allumage du moteur, Mars Climate Orbiter doit passer derrière Mars, ce qui va interrompre les communications radios. Ce n'est qu'à la fin de l'occultation, 20 minutes plus tard, que les contrôleurs doivent de nouveau recevoir un signal de la sonde, grâce au réseau d'écoute de l'espace lointain (Deep Space Network, DSN). Ils seront alors certains que tout s'est déroulé comme prévu et que la sonde suit maintenant une orbite autour de Mars (C). (Crédit photo : © Philippe Labrot)

La mise en orbite… suite A l'heure précise où la sonde doit émerger de l'autre côté de la planète, tout le monde retient son souffle. Le signal tant attendu n'arrive pas. Il n'arrivera jamais

Le plongeon mortel dans l'atmosphère Les premières analyses des données arrivent et montrent des résultats inattendus. Il semble de plus en plus évident que la sonde a suivi un couloir de survol beaucoup plus bas que le couloir théorique. Le survol du pôle nord devait avoir lieu à une altitude théorique confortable de 193 km. Depuis quelques jours, les ingénieurs avaient bien remarqué que la sonde semblait suivre une trajectoire un peu trop basse et que le passage allait en fait avoir lieu à une altitude de 140 km, mais cette valeur restait raisonnable. La limite extrême à ne pas dépasser était de 85 km car en dessous, la densité de l'atmosphère est bien trop forte et l'échauffement libéré lors de la rentrée désintègrerait la sonde en quelques secondes.

puis d'un seul coup le chiffre tombe Mars Climate Orbiter a été victime d'une erreur catastrophique de navigation, et la sonde a affronté l'atmosphère martienne à une altitude incroyable de 57 km. Mars Climate Orbiter s'est transformé en une boule incandescente, étoile filante dans le ciel martien, dispersant ses fragments métalliques dans l'atmosphère, tandis que dans la salle de contrôle, les navigateurs attendaient avec impatience la reprise d'un contact radio qui ne viendra jamais.

trois comités d'enquête sont mandatés par la NASA pour découvrir l'origine de l'erreur Le rapport final sera publié le 1er février 2000.

Un simple problème d'unité de mesure Il semble que la perte de Mars Climate Orbiter doive simplement être mise sur le compte d'un problème d'unité dans l'expression d'une force de poussée. Les ingénieurs de Lockheed Martin Astronautics (Denver dans le Colorado), la firme qui a conçu et fabriqué la sonde martienne, avaient apparemment gardé la mauvaise habitude de travailler avec les unités du système anglo-saxon.

Un simple problème d'unité de mesure De leur côté, les ingénieurs du Jet Propulsion Laboratory (Pasadena en Californie) travaillaient depuis des années dans le système métrique, reconnu au niveau international comme étant le système de référence. Il semble que lors du transfert des données entre le centre de Lockheed et celui du JPL, personne ne se soit rendu compte qu'il fallait convertir les données, chacun étant persuadé que l'un utilisait les mêmes unités que l'autre !

2 systèmes d’unités co-existent aux USA : l’ancien système impérial anglo-saxon, et le système métrique international (SI). On a dit que la sonde était programmée pour effectuer le survol à 60 miles, mais que celui ci s'est déroulé à 60 km. En fait c’est au niveau des valeurs des forces de poussée des moteurs que la confusion a été faite. Lockheed fournissait ses données en pounds-force, une unité du système anglais, alors que les ingénieurs du JPL considéraient que ces données représentaient des newtons (unité du système métrique). Une pound-force équivaut à 4,48 newtons. La sonde a été beaucoup trop freinée, ce qui l’a faite pénétrer trop bas dans l’atmosphère martienne.

Une erreur à 125 millions de dollars ! Il se pourrait que certains faits inexpliqués jusqu'à maintenant dans le comportement de certaines sondes trouvent enfin une réponse. Voici la seule image transmise par Mars Climate Orbiter, alors qu’il se trouvait à 4,5 millions de km de Mars, le 7 septembre 1999. Infos prises sur le site consacré à la planète Mars : http://www.nirgal.net/

FIN