petit panorama astronomique : ballade dans le cosmos

Des questions (presque) banales - comment sait on décrire l'Univers et ses objets ? - c'est quoi l'astronomie ? - pourquoi y a t il des éclipses ? - pourquoi la Lune change-t-elle d'aspect ? (phases) - les étoiles sont elles éternelles ? - à quoi sert l'astronomie ? - et bien d'autres……….

Astronomie : une définition… Etymologie : ASTRO => Astres NOMIE => Lois Astronomie : étude des lois qui gouvernent la vie des astres Note : astrologie, c'est pas la même chose (pas du tout) buts de l'Astronomie : décrire et expliquer la nature, le fonctionnement et l'histoire de l'Univers ( rien que ça !)

Pas aussi simple que ça ! Première approche : Les astres : c'est quoi ? Première approche : " c'est ce qu'on voit dans le ciel ??? " Pas aussi simple que ça !

Des choses que l'on voit dans le ciel ??? Il faut distinguer : - objets de la vie courante (oiseaux, avions, satellites,...) - phénomènes aériens (nuages, arc en ciel, aurore boréale,...) - objets naturels au-delà de l'atmosphère (Soleil, Lune, étoiles,..) mais comment distinguer ?

Comment distinguer astro/ pas astro ? Par le mouvement ! En astronomie : mouvement lent, régulier, mouvement d'ensemble grand manège, voûte céleste : axe de rotation, vitesse Exception : météores (étoiles filantes)

pas ici Astres là - objets du ciel situés au-delà de l'atmosphère terrestre - et dont le mouvement apparent est lent, régulier, périodique - ils ont un mouvement d'ensemble : leurs positions relatives semblent ne pas varier Qui provoque ce mouvement apparent ? - la rotation de la Terre sur elle-même (mvt diurne) axe de rotation voisin de la direction de l'étoile polaire - le déplacement de la Terre par rapport au Soleil (mvt annuel)

mais les astres, il y en a beaucoup ! et partout ! comment s'y retrouver dans ce fouillis ?? pourquoi vouloir s'y retrouver ? réponse : agriculture, navigation,.. réponse 1 : les constellations ! regroupements arbitraires par voisinage angulaire attention !! aucun autre lien que le voisinage angulaire réponse 2 : les catalogues d'étoiles (listes avec positions)

quelques célébrités du moment grande ourse cassiopée (le W) pléiades taureau orion

des catalogues et des cartes premier catalogue : Hipparque, 150? avant JC, 1000 étoiles autre catalogue historique : Messier, 18eme siècle, "objets diffus", environ 100 le plus récent : satellite Hipparcos 1995 : 120 000 étoiles le futur : satellite GAIA 2015 ?? : 1 milliard d'objets !

statut de l'astronomie Astronomie = science d'observation i.e. on ne touche pas !

Méthodes : un peu de philo ? Recherche de la vérité : l'approche scientifique je regarde jouer les dieux à un jeu compliqué et je dois trouver les règles seulement en regardant deux attitudes : 1. je crois un gourou qui me dit "c'est comme ca , les dieux me l'ont dit" 2. j'observe, j'imagine (hypothèse), et je me dis "je crois seulement au contrôle de mon hypothèse par le déroulement du jeu" Très schématiquement : l' attitude 2 est l'approche scientifique

L'observation plus de 99.999 % de ce que nous savons sur les astres c'est le moteur de la connaissance en astro (le carburant c'est la réflexion) Observer ce n'est pas seulement contempler pour qu'il y ait observation il doit y avoir mesure (même à l'œil nu) plus de 99.999 % de ce que nous savons sur les astres a été fourni par la lumière que nous en recevons

Mesurer mesurer une quantité c'est la comparer à une quantité de même nature prise comme référence (on dit : comme "unité") une mesure doit fournir un nombre ET une incertitude mesure de longueur : 6.7 unités +/- 0.1 unité mesure d'angle 4.2 unités +/- 0.1 unité mesure d'arc 1.5 unités +/- 0.1 unité

Mais il faut des unités adaptées Exemple : longueurs, distances insecte : mm stylo : cm bateau : m voyage : km, heures de voiture, heures d'avion Nice-Paris : grossièrement 1000 km, 1h d'avion En Astro, on ne parle pas d'avion mais de lumière ! vitesse dans le vide : 300 000 km / seconde

Année de lumière C'est une unité de longueur elle est adaptée aux distances en astro AL : distance parcourue en un an par la lumière dans le vide AL (km) = (300 000 km/s) * (365*24*60*60 s) AL environ 10 000 000 000 000 km plus facile à retenir 10^13 km

Faire de l’astronomie sans télescope : des histoires d’angle

ciel nocturne, coup d'oeil en passant

le ciel à l'œil nu, on peut voir quoi ? Points lumineux : éclats différents couleurs différentes scintillement (ou pas) Objets diffus : Voie lactée, amas d'étoiles, nébulosités, comètes Objets étendus (disques) : Soleil, Lune (et les croissants ?) On peut remarquer : - mouvement d'ensemble - constellations - phases de la Lune, éclipses, météores - et l'on peut distinguer étoiles et planètes ( comment ? + tard)

La faune astronomique : - quelques spécimens - et des jalons de distance

Coup d'œil synthétique sur le système solaire Le Soleil (une étoile), des planètes avec leurs satellites et des petits corps (planétésimaux) Mars Mercure Vénus Terre Jupiter Saturne Uranus Neptune Pluton Charon tailles relatives correctes distances fausses

La Terre, notre Terre circonférence : 40 000 km coup de chance ?? ou pas ? circonférence : 40 000 km diamètre : environ 12 800 km masse : 6. 10^24 kg

soleil

Soleil Masse : environ 2.10^30 kg, Diamètre : 1 390 000 kilomètres, disons environ 1 500 000 km A retenir : plus de 100 fois le diamètre de la Terre. combien de Terres pour remplir le volume du Soleil ? Masse : environ 2.10^30 kg, disons environ 300 000 fois celle de la Terre Température : 5800 K (surface) 15 000 000 K (noyau) Le Soleil est, et de loin, l'objet le plus gros du système solaire. Il contient plus de 99.8% de la masse totale du système solaire (Jupiter comptant presque tout le reste).

Taches solaires La surface du Soleil (photosphère) est à une température de 5800 K. Les taches solaires sont des régions plus froides à seulement 3800 K. Les taches peuvent être très larges, jusqu'à 50 000 km de diamètre.

La Lune, notre satellite naturel la Reine de la Nuit probablement la plus grande célébrité du ciel nocturne

Lune Diamètre : environ 1/3 de celui de la Terre Masse : 8. 10^22 kg , environ 100 fois moins que celle de la Terre A quelle distance de la Terre ? environ 400 000 km plus facile à retenir : environ 1 seconde de lumière

la Lune occulte le Soleil éclipses Eclipse : passage dans l'ombre éclipse de Lune Eclipse : passage dans l'ombre éclipse de Soleil : terme impropre , on devrait dire : occultation la Lune occulte le Soleil

le système solaire "interne" les planètes telluriques (cailloux)

le système solaire "externe" les planètes joviennes

entre les deux, les astéroïdes

et tout à fait à la périphérie, un réservoir à comètes

Et au niveau des distances ? Terre Lune : 400 000 km 1 seconde de lumière Terre Soleil : 150 000 000 km 8 min de lumière il faut s'attendre à des nombres de km avec beaucoup de zéros et les années de lumière ne sont pas adaptées ici on introduit une nouvelle unité de distance : l'Unité Astronomique : distance moyenne Terre-Soleil 1 U.A. = 150 millions de km c'est avec elle que nous arpenterons le système solaire

Mercure Vénus Terre Mars en partant du Soleil 3 min de lumière 0.05 masse Terre rayon 0.4 RTerre Mercure 0.4 UA 6 min de lumière 0.8 masse Terre rayon  RTerre Vénus 0.7 UA 8 min de lumière 6. 10^24 kg R = 6400 km Terre 1 UA 12 min de lumière 0.1 masse Terre rayon 0.5 RTerre 1.5 UA Mars la ceinture d'astéroïdes 2.9 UA

En s’éloignant du Soleil… 40 min de lumière 300 masse Terre rayon 11 RTerre Jupiter 5 UA 80 min de lumière 100 masse Terre rayon 9 RTerre Saturne 10 UA 3 h de lumière 14 masse Terre rayon 4 RTerre Uranus 20 UA 6 h de lumière 17 masse Terre rayon 4 RTerre Neptune 30 UA 8 h de lumière 0.2 masse Terre rayon 0.4 RTerre Pluton-Charon 40 UA

Les étoiles : elles naissent, vivent et meurent Nébuleuse d'orion pouponnière d'étoiles 1500 AL supernovae mort explosive cataclysme pléiades, amas ouvert étoiles jeunes 400 AL après la mort explosive les restes se diluent nébuleuse du crabe 6000 AL Soleil, étoile adulte une parmi d'autres nébuleuse planétaire une mort plus douce 5000 AL amas globulaire étoiles vieilles autres spécimens : étoiles doubles, supergéantes, naines blanches,pulsars, étoiles à neutrons

Galaxies : des étoiles et de la matière interstellaire la nôtre : la Galaxie diamètre 100 000 AL plusieurs centaines de milliards d'étoiles nos proches voisins ( à 150 000 AL) les deux nuages de Magellan galaxie d'Andromède cousine, à 2 millions d'AL il n'y a pas que des spirales galaxie du sombrero

matière interstellaire, diverses nébuleuses des formes spectaculaires : l'imagination au pouvoir nébuleuse North-America la tète de cheval, célébrité, vers Orion nébuleuse trifide nébuleuse du sablier

Les amas de galaxies l'amas de la Vierge à 50 millions d'AL plusieurs centaines de galaxies la nôtre est dedans (sur le bord) il y a d'autres amas, et il y a des super amas "jusqu'où s'arrèteront-ils " amas d'Hercule, 650 millions d'AL et plus loin , les quasars, à des milliards d'années de lumière probablement des galaxies avec un trou noir au milieu qui provoque une gigantesque libération d'énergie

Récapitulons ! Cosmos : vision ordonnée de l'Univers minutes et heures de lumière Soleil : une étoile parmi d'autres toute une population d'étoiles = galaxie nous habitons la Voie Lactée ou la Galaxie (majuscule) une parmi d'autres centaines et milliers d'années de lumière tout plein de galaxies = amas de galaxie centaines de millions d'années de lumière des amas d'amas, des super-amas des univers-iles milliards d'années de lumière

Astronomie sans télescope : antiquité, un palmarès éblouissant et des histoires d'angles * positions, constellations, mouvement d'ensemble * le gnomon et le cadran solaire * le temps, les calendriers * catalogues, cartes * des astres indisciplinés : planètes * mesures fondatrices (géométrie + mesures angulaires) la Terre est ronde, diamètre de la Terre, diamètre de la Lune, distance Terre Lune distances relatives Terre-Lune et Terre Soleil les étoiles sont "très loin"

histoire d'angles : les radians Radian = nouvelle façon d'exprimer les angles angle au centre : a R1 R2 A(R1,a) = longueur de l'arc pour angle a et rayon R1 A(R2,a) = longueur de l'arc pour angle a et rayon R2 ce serait sympa de pouvoir écrire A(R1,a) = R1* (nombre réel) avec les degrés, on peut pas ! si a est exprimé en radians, on peut !

à connaître sans hésitation 1 arcmin = 3. 10 E(-4) radian les radians : suite en astro, on a souvent des angles et arcs TRES petits plus petits que 1° … minute d'arc : 1°/60 1 ' ==>2p /(360°. 60 '/°) radian 1 '  2*3.14 / (400*50)  3. 10E(-4) radian seconde d'arc : 1 ' / 60 = 1°/3600  5. 10 E (-6) radian à connaître sans hésitation 1 arcmin = 3. 10 E(-4) radian 1 arcsec = 5. 10 E(-6) radian

premières mesures : des angles le gnomon (baton vertical) : ombre portée L connu M mesuré a L L/M = tg a ==> a M œil nu : pas précis, équation personnelle

premières mesures : des angles œil assisté : arbalète ou baton de Jacob plus précis impersonnel (presque) une vraie mesure (nombre) séparations angulaires (on dit aussi distances angulaires) M L oeil a L/M= tg a ==> a il y a aussi le quadrant et d'autres..

encore des angles : diamètre apparent oeil a L/M= tg a ==> a a lune : 32 arcmin soit environ 1/100 radian illustration commode pour 1 arcsec : petit pois à 1 km 5 mm 1 km ou 1E6 mm

un p'tit tour chez les Grecs ? samos

Aristarque de Samos (270 av JC) géométrie du système Terre-Lune-Soleil Diamètre Lune/Diamètre Terre éclipse distance Lune/ Diamètre Terre éclipse distance Terre-Soleil / dist.Terre-Lune quartier diamètre du Soleil éclipse totale de Soleil à l'époque résultats faux (insuffisance des instruments de mesure) mais raisonnements justes ( et beaux)

rapport : dist Terre-Lune / Diam Terre éclipse et chronométrage 2p.L / D = T / t un tour : durée T (lunaison) éclipse : durée t T et t mesurés => L/D = (1/2p).(T / t) on peut aussi avoir le rapport DiamètreLune/Diamètre Terre

rapport (DiamètreLune / Diamètre Terre) évaluation par chronométrage ombre Terre approx D Terre t x*D (x+1)*D T La Lune parcourt un arc égal à son diamètre D pendant "t" (1 h environ) on mesure le temps "T" entre le premier et le dernier contact Ce temps "T" correspond à (X+1) diamètres lunaires On a T(heures) = (X+1). t (heures) On en tire DTerre/Dlune = X

rapport (DiamètreLune / Diamètre Terre) une approche graphique environ un facteur 3 : Dterre ~ 3* Dlune

distances relatives (Aristarque) rapport (distance Terre Soleil / distance Terre Lune) Lune au quartier (éclairage "de coté") on exploite l'angle droit et la trigonométrie TL M TS TL / TS = cos M Aristarque a trouvé TS = 20.TL (?) en fait c'est plutôt 400. (150 000 000 / 400 000)

encore Aristarque : diamètre du Soleil Eclipse totale =>Lune , Soleil même diamètre apparent Alors : Diamètre Lune/Diamètre Soleil = Distance Lune/Distance Soleil d'où : Diam Soleil = Diam Lune * (Dist Soleil/Dist Lune)

diamètre de la Terre : Erathostène (230 av.J.C.) le puits et le gnomon la Terre est ronde, on le savait : bateaux à l'horizon a a on connaît L on mesure p longueur de l'ombre h p L R a a (radian) = L/R tg(a) = p/h ~ a L/R ~ p/h R ~ (L*h) / p

Triangulation : un outil puissant B p a b D D : direction fixe, référence Si la distance de O au segment AB change Alors a et b changent, comme p = a+b , il change aussi p est une parallaxe, p est devenu un indicateur de distance

distances des objets proches : parallaxe (Hipparque, 150 av JC) objet lointain (référence) A B R p distance R connu ( Erathostene, 230 av JC) A et B mesurés ------> p, la parallaxe : p = B-A trigo => p = R/distance alors distance = R/p (longueur/radian = longueur)

Que faire ? agrandir la base et les objets éloignés ? la méthode de la parallaxe trigonométrique ne marche plus l'angle devient trop faible pour être bien mesuré. base p et l'incertitude sur le résultat grandit avec l'éloignement Pour une même erreur de mesure, l'incertitude sur la distance grandit avec la distance Que faire ? agrandir la base La plus grande accessible : le diamètre de l'orbite de la Terre

parallaxes stellaires date "t" p date "t + 6mois"

nouvelles unités de distance : l'Unité Astronomique et le PARSEC unité astronomique ( UA) : distance moyenne Terre Soleil PARSEC : quand l'angle p vaut 1 arcsec la distance Etoile-Soleil est de 1 parsec calcul rapide en km et en A.L. … réponse : 1 psc ~ 3*10^13 km, 1 psc ~ 3 AL

récapitulons ! unités de distance année de lumière (AL) : distance parcourue en 1 an par la lumière 1 AL  1013 km unité astronomique ( UA) : distance moyenne Terre Soleil 1 UA  1.5 108 km soit 8 minutes de lumière parsec (psc): distance à laquelle on voit 1 UA sous un angle de 1 arcsec 1 psc  3 AL un nom bizarre ?? pas si bizarre : 1 arcsec avec cette étoile (distance 2 psc) on loge 2 fois la parallaxe dans 1 arcsec : d'où 2 par seconde = 2 parsec

Quelques repères chronologiques … Stonehenge, Mésopotamie, Babylone, Egypte 3000 av JC, 2000 av JC , mouvement, calendriers, constellations, prédictions des éclipses, phases de la lune les Grecs , - 600, + 170 cosmogonie géocentriques et héliocentrique, planètes et leur mvt mesures fondatrices, catalogues, parallaxe La route du Sud Les astronomes Arabes transfèrent les connaissances des Grecs et les leurs propres vers l'Europe, en passant par le Sud de la Méditerranée

un peu d'histoire ( la suite) Renaissance-18ieme siècle Le club des 5: Copernic, Tycho Brahe, Kepler, Galilée, Newton Héliocentrisme, fondation de la méthode expérimentale, prépondérance de l'observation, mécanique et gravitation Astronomie dite moderne ( après Newton) triomphe de la Gravitation, spectroscopie, grands telescopes, relativité radioastronomie, ère spatiale…...

Galilée, 1564-1642 Exemple spectaculaire de l’apport instrumental l’emploi de la lunette bouleverse la vision de l ’Univers Répercussions pas seulement pour la science découvertes de Galilée observateur : cratères lunaires, satellites de Jupiter, taches solaires, phases de Vénus

Galilée, 1564-1642 découvertes de Galilée observateur cratères lunaires, satellites de Jupiter, taches solaires, phases de Vénus

modèles, théories à force de ramasser des "bouts de régles du jeu" je construit une grande règle du jeu ( applicable à plusieurs phénomènes) pour tel phénomène j'ai exhibé un comportement, un mécanisme de fonctionnement j'ai établi un "modèle" ou une "loi" (gaz, électricité,étoiles,...) en associant des grandes règles du jeu je peux construire une "supergrande règle du jeu" j'ai posé un "principe", j'ai élaboré une "théorie", ce sont des guides pour imaginer de nouvelles hypothèses une théorie est acceptable quand 1. elle fournit des prédictions vérifiées 2. elle est éventuellement réfutable

jalons de distance système solaire : Unités Astronomiques, heures de lumière dans la Galaxie : Années de Lumière, milliers d'A.L. les galaxies : centaines de millions d'Années de Lumière les astres les plus lointains observés (quasars) : milliards d'Années de Lumière