La place de la Terre dans l’Univers: un point de vue d’astronome…

Une éjection de masse coronale lors d'une éruption solaire, vue par l'observatoire spatial SOHO La Terre à la même échelle …

Image mission Cassini (ESA)

Comprendre les dimensions spatiales, construire une échelle des distances dans l’espace Comprendre le contenu matériel : construire une échelle des masses, des énergies, évaluer le contenu total de (des) matière (s) de l’Univers, comprendre la répartition de cette (ces) matière (s), comprendre la distribution d’abondance des éléments et leur genèse Comprendre les échelles de temps et d’évolution de la Terre et de l’Univers. Chercher d’autres mondes autour d’autres soleils, comprendre comment ils se forment, comment ils évoluent Chercher la Vie au-delà des limites de notre monde.

Comprendre les dimensions spatiales, construire l’échelle des distances. Une distance « astronomique » entre deux objets : c’est « grand », mais grand comment ? Une planète, ou le Soleil, c’est gros, mais gros comment ?  Antiquité : Eratosthène (273 – 192 av. J.C.) mesure la circonférence terrestre avec une bonne précision ( 2 % ?) ( mais les distances Terre-Lune et Terre-Soleil restent grossièrement erronnées )  17ème siècle : la « parallaxe » de Mars, mesurée par Cassini, (en 1672) en donne une distance correcte  1838 : première distance précise d’une étoile par parallaxe (Bessell)  1924 - 1929 : E. Hubble résout les galaxies proches en étoiles analogues à celles de la Voie Lactée et met fin à la querelle sur l’existence des galaxies en tant qu’ensembles de systèmes stellaires indépendants de la Voie Lactée.  2008 : des galaxies sont observées avec un « temps de recul » de 12,7 milliards d’années, soit 800 millions d’années après le Big Bang

Pourquoi dix-huit siècles d’ignorance ? 1 ) Avant l’apparition des instruments d’optique, les très petits angles étaient extrêmement difficiles à mesurer correctement : Pouvoir résolvant de l’œil humain sans instrument, en vision diurne : environ 1 minute d’arc en moyenne, (60 secondes d’arc) (c’est-à-dire qu’on distinguera la pièce d’1€ à 80 m) en vision nocturne c’est beaucoup moins bon ! (Pièce d’1€ : diamètre : 2,3 cm) 1€ angle: 1 minute d’arc 1 seconde d’arc distance d’observation: 80 mètres 2, 37 kilomètres !!! O

Les parallaxes La parallaxe : lorsque le photographe se déplace, le poteau, objet proche de lui, semble se déplacer par rapport au Mt Ventoux qui est à très grande distance. Si on connaît la distance entre les positions d’observation, la simple mesure d’un angle permet de déterminer la distance du poteau à l’observateur. Mesure de Cassini

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Ainsi, la mesure de Cassini permit d’évaluer la distance moyenne 2) Le géocentrisme bloquait toute compréhension des dimensions du Système Solaire et des dimensions relatives de ses constituants La troisième loi de Kepler * donne accès avec une excellente précision aux distances relatives entre les corps du Système Solaire, si on dispose de bonnes éphémérides (positions en fonction du temps). Il suffit ensuite - en principe - d’une mesure correcte de distance par parallaxe pour en déduire l’ensemble des distances dans le Système Solaire ! Ainsi, la mesure de Cassini permit d’évaluer la distance moyenne Terre - Soleil « entre 134 et 140 millions de km » Cette distance devenait l’« Unité Astronomique ». Grâce aux passages de Vénus devant le disque solaire, l’U.A. fut révisée à 150 millions de km. T 2 * ( ------ = Cste ) publiée en 1618 a 3

La lumière : un étalon de mesure ! Jusqu’au 17ème siècle, les astronomes et les physiciens se sont fort peu préoccupés du problème de la propagation de la lumière. Le phénomène était censé être instantané… En 1676, Øle Römer découvre les retards des éclipses des satellites de Jupiter et en conclut que la lumière se propage avec une vitesse finie et très grande. C’est le début d’une extraordinaire aventure où tour à tour astronomes et physiciens vont s’illustrer pour tenter de mesurer cette vitesse de propagation au moyen d’expériences plus ingénieuses les unes que les autres. Au début du 20e siècle, Einstein refonde complètement la physique grâce aux deux théories de la Relativité , en considérant la vitesse de la lumière dans le vide comme une constante physique fondamentale, indépendante du repère de l’observateur (~300 000 km/s). La conséquence aujourd’hui en est l’adoption de la vitesse de la lumière comme moyen de définir l’unité de longueur, le mètre. Une unité pratique pour le profane en astronomie est l’année de lumière

Les méthodes de télémétrie : application d’une connaissance précise de la vitesse de la lumière aux mesures modernes des distances interplanétaires * distance Terre – Lune par télémétrie laser * distance Terre – divers corps par télémétrie radar (Mars, Vénus, astéroïdes, sondes spatiales) Document Observatoire de la Côte d’Azur

Télémétrie dans le Système solaire : des précisions centimétriques ! LUNE Télémétrie dans le Système solaire : des précisions centimétriques ! cible Impulsions de lumière laser verte (10 tirs par seconde) télescope, laser, horloge «échos» de retour: le télescope capte une très petite fraction de l’énergie envoyée, qui s’est réfléchie sur la cible Terre

La taille des objets : Si on a une mesure correcte - de la distance - et du diamètre angulaire, on en déduit immédiatement la dimension physique (diamètre pour les sphères) de l’objet ! DT = 12800 km Le Soleil, étoile naine ! Soleil Deneb Jupiter, planète géante gazeuse Dj = 140 000 km = 11 DT Volume : 1321 terres D0 = 1 400 000 km = 109 DT Volume : 1 300 000 Terres

Parallaxe et distances des étoiles proches Le rayon terrestre est une base trop petite pour mesurer la parallaxe des étoiles, trop éloignées. (*) On utilise alors le rayon de l’orbite de la Terre autour du Soleil (1 U.A. soit 150 millions de km) 2p La parallaxe est l’angle p sous lequel on verrait ce rayon depuis l’étoile. La distance de l’étoile est directement d = 1/p pour d en parsec p en secondes d’arc. (1 parsec = 3,26 années de lumière) * Argument du Vatican contre Galilée : si la Terre tourne autour du Soleil, on devrait voir une parallaxe sur la position des étoiles. Réponse de Galilée : les étoiles sont trop loin, nos instruments insuffisants.

L’immensité de l’espace interstellaire : 1 U.A. (Terre – Soleil) = 150 millions de km = 499 secondes de lumière 1 parsec = 3, 26 années de lumière. Proxima Centauri est à 1,29 parsec du Soleil (4,25 a.l.) , le Soleil est à plus de 8000 parsecs ( 26000 a.l.) du centre de la Voie Lactée. 1cm Soleil D = 280 km !!! Supposons que le Soleil soit représenté par une bille jaune d’ 1 cm de diamètre, une bille – bien plus petite et plus rouge, qui représenterait Proxima Centauri, l’étoile la plus proche du Soleil, devrait, pour respecter l’échelle des distances, se trouver à 280 km de la bille – Soleil !!! Proxima Cen

La détermination géométrique des distances (parallaxes) atteint rapidement ses limites, suite à l’impossibilité technique de mesurer des angles trop petits. Le satellite Hipparcos (ESA) a pu mesurer les parallaxes des étoiles proches du Soleil jusqu’à environ 800 a-l avec une bonne précision, mais avec la technologie de 1990 ! Pour aller plus loin (et, avant Hipparcos, pour établir l’échelle de distances dès une trentaine d’a –l) il faut utiliser des méthodes fondées sur la physique des objets, qui reviennent en fin de compte à : - définir des « chandelles standards » dont une caractéristique est suffisamment constante et indépendante de la distance, (par exemple la luminosité d’un type particulier d’étoile, ou le diamètre apparent d’un type de galaxie) - comparer l’objet dont on veut estimer la distance à ces chandelles standards pour lesquelles on peut prédire l’effet de la distance sur la caractéristique. Au moyen de ces « indicateurs », on a pu reconstruire spatialement la fraction d’Univers dans laquelle se trouve le Système Solaire.

La Voie Lactée, vue sous deux angles (reconstruction à partir des données d’observation)

Les distances “cosmologiques” : La loi de Hubble Hubble, Humason, et Mayall, en décomposant avec un spectrographe la lumière de galaxies assez distantes, s'aperçurent que le spectre de ces objets, qui contenait les mêmes raies que celui d'étoiles géantes rouges ordinaires, les montrait toujours décalées vers le rouge. Ce décalage est dû à la vitesse de récession apparente des objets créée par l'expansion de l'Univers

La loi de Hubble sur une élastique G3 G2 G0 G1 G4 G3 G2 G0 G1 G4 Sur un fil élastique on repère à l’encre de couleur des points G0, G1, G2, G3, G4, G5 à des distances telles que G0G1 = G0G2 et G0G3 = G0G4 avec G0G3 = 3 x G0G2. On étire l’élastique jusqu’à ce que (G0G2)’ = (G0G1)’ = 2 x G0G2. On a alors (G0G3)’ = (G0G4)’ = 6 x G0G2 Si l’étirement de l’élastique a demandé une seconde, la « vitesse de récession » de G3 (ou G4) par rapport à G0 pendant cet étirement est égale à 3 fois celle de G2 (ou G1) . On retrouve la loi de Hubble !!!

Hubble et ses collaborateurs établirent que plus une galaxie semblait distante, plus sa “vitesse de récession” était élevée, et qu'il y avait proportionnalité entre distance et “vitesse de récession”. Aujourd’hui, la constante de proportionnalité H (constante de Hubble) est estimée à 71 km/s par mégaparsec de distance ( soit 22 km/s par million d'années de lumière) Mesurer au spectrographe (ou avec un radiotélescope pour les galaxies riches en gaz) la vitesse de récession permet de déterminer une estimation de distance pour une galaxie, sauf pour les objets trop proches.

II) Comprendre le contenu matériel: 1) la matière et l'échelle des masses La matière familière est dite « baryonique » : elle est constituée d’atomes dont les noyaux contiennent protons et neutrons; ces noyaux sont entourés d’électrons qui interagissent entre eux et avec le rayonnement (lumière); les produits de ces interactions (dites « électromagnétiques ») sont en gros tous ceux de la physique « de tous les jours » (hors mécanique ou cinématique). Un corps constitué de matière baryonique est doué de « masse » : il attirera un autre corps de même nature en exerçant sur lui une force dite gravitationnelle. A l’échelle de l’Univers, la force gravitationnelle est responsable non seulement des mouvements des corps (planètes, étoiles, galaxies…) autour ou vers leurs attracteurs, mais c’est la présence de masse qui structure l’espace-temps lui-même.

à partir des éléments de l’orbite d’une planète 3e loi de Képler loi de Newton Masse du Soleil à partir des éléments de l’orbite d’une planète +

* On va le retrouver dans les pages suivantes… Pour la masse des planètes, (la Terre par exemple) c’est plus difficile (sauf si on a l’orbite d’un satellite « léger »): on n’a accès facilement qu’au produit GM où G est la constante de gravitation et M la masse de la planète. C’est Cavendish,(*) le premier, qui en 1798 détermina avec précision la masse de la Terre, et établit la deuxième marche de l’échelle des masses cosmiques (la première étant celle du Soleil) M (Terre) = 6 1024 kg M (Soleil) = 2 1030 kg Pour tous les astronomes travaillant sur les étoiles et les galaxies, la masse du Soleil est l’unité de masse! * On va le retrouver dans les pages suivantes…

Un amas de galaxies riche: 200 milliards de masses solaires dont 5 % seulement sous forme d’étoiles La Voie Lactée : 200 milliards de masses solaires

II)- Comprendre le contenu matériel : 2) la distribution des densités Avec les dimensions physiques des objets et leurs masses, on peut voir comment se répartit la matière. Surprise : nous vivons sur un monde très dense au sein d’un Univers surtout plein de vide ! Voie Lactée : un disque de 100 000 a.l. de diamètre, épais de 3000 a.l., contenant 200 milliards de masses solaires : 1 masse solaire par (a.l.)3 ou 1,6 10-21 kg/m3 Terre : 5 500 kg/m3 Nébuleuse d’Orion : 1000 atomes /cm3 ou 2 10-15 kg/m3

II) - Comprendre le contenu matériel : 3) et l’échelle des énergies ? C’est peut-être la plus difficile à appréhender. L’énergie au sein de l’Univers et de ses constituants revêt de nombreuses formes : lumière (rayonnement électromagnétique), énergie d’origine « gravitationnelle » (exemple : énergie cinétique d’une étoile en mouvement dans une galaxie), énergie interne des noyaux atomiques, énergie des particules du rayonnement cosmique, etc… La masse est liée à l’énergie : mais il existe des formes d’énergie sans masse, ou qui ne se transforment jamais en masse. L’énergie « noire » , de nature parfaitement inconnue aujourd’hui, (si elle existe), agit sur la géométrie même de l’Univers et accélère son expansion.

Les deux sources d’énergie les plus familières : 1) La fusion thermonucléaire des noyaux atomiques légers, moteur du rayonnement des étoiles. La compréhension de ce phénomène est récente (1940 – 1955) (Gamow, Bethe, Hoyle, Fowler, etc…). Le Soleil, étoile bien ordinaire, pas très lumineuse, rayonne chaque seconde dans l’espace 3,8 1026 joules d’énergie sous forme lumineuse, [ équivalent : 6 milliards de fois la production électrique ANNUELLE d’une centrale nucléaire à fission de 3e génération (à 2 x 1300 MWe, type Golfech , St Alban ..) ]. C’est le résultat de la transmutation de 600 millions de tonnes d’ H en He , avec la conversion en énergie d’une masse de 4 millions de tonnes ! Les étoiles supergéantes les plus brillantes rayonnent comme plus de 10 000 soleils! La Voie lactée tout entière rayonne comme 30 milliards de Soleils !! Une supernova libère, en quelques jours, une énergie équivalente à celle rayonnée par la galaxie entière dans laquelle elle explose. (~ 1044 joules) SN 1994d

2) l’interaction gravitationnelle entre les objets doués de masse: c’est le moteur essentiel de l’évolution des structures de l’Univers (systèmes planétaires, amas d’étoiles, galaxies, groupes et amas de galaxies, structure « en bulles »). énergie cinétique de la Terre sur son orbite (vitesse : ~30 km/s , masse : ~6 x10 24 kg ) : 3 x10 32 joules ! énergie cinétique d’une grosse météorite d’une masse de 10 000 tonnes frappant la Terre à 60 km/s : 18 x 10 15 joules [ soit un équivalent d’1/3 de la production annuelle électrique de la centrale de Golfech !] énergie cinétique totale d’une galaxie contenant 10 milliards d’étoiles de masse moyenne ½ Soleil, orbitant à une vitesse moyenne de 100 km/s autour du centre : 5 x 10 47 joules : c’est 1000 fois ce qui est libéré lors de l’explosion d’une supernova !

II) Comprendre le contenu matériel : - 4) les éléments La chimie moderne naît dans la deuxième moitié du 18ème siècle, grâce à l'introduction systématique du quantitatif (balance de précision, mesure des volumes des gaz) dans l'étude des réactions. (Cavendish, Lavoisier, Scheele, Berthollet) La notion d'élément prend corps peu à peu, en liaison avec l'essor, puis le triomphe définitif de la théorie atomistique vers 1800, un siècle avant le début de la révolution quantique. Lavoisier Berthollet Scheele

1766 : Henry Cavendish découvre l'hydrogène (H) 1868 : Jules Janssen, Joseph Norman Lockyer et Edward Frankland découvrent l'hélium (He)

Il n'existe pas de H libre; la quantité totale de H combiné (H2O) n'est pas très grande par rapport à la masse totale de la Terre. He est à peu près totalement absent ! Roches : Si, O, Al, C, Ca, Mg, Fe, Mn, etc… Atmosphère : N, O Océans et nuages: H, O

Composition chimique globale de la Terre (en masse) : Fer ----- 39,8 % Oxygène ----- 27,7 % Silicium ----- 14,5 % Magnésium ----- 8,7 % Nickel ----- 3,2 % Calcium ----- 2,5 % Aluminium ----- 1,8 % soit 97,5 % pour ces seuls 7 éléments !

Compositions chimiques, en % du nombre d'atomes total Terre Eau de mer Soleil (surface) Univers Hydrogène 0,2 66 93 90 Hélium (Quasi-absent) Absent 6 9 Oxygène 49 33 0,06 0,1 Carbone 0,02 0,0014 0,04 Magnésium 16 0,033 0,004 0,005 Fer 14 traces 0,003

L’hélium, qui « pèse » pour 25 % de la masse de matière « ordinaire » (baryonique) de l’Univers, est à peu près absent du globe terrestre. L’hydrogène et l’hélium ont été produits au début de la formation de l’Univers (400 secondes après le Big Bang). Pendant les premiers âges de la Terre, ces éléments légers ont été « soufflés » par le vent du jeune Soleil, à l’exception de la fraction de H qui était combinée en glace dans les poussières de la nébuleuse primitive … et qu’on retrouve aujourd’hui dans nos océans (?).

II) Comprendre le contenu matériel : 5) la Matière Noire La matière « ordinaire » (dite baryonique) peut être considérée comme bien connue, ses propriétés physiques et ses interactions avec le rayonnement sont très complètement décrites par nos théories. Est-elle le principal constituant de l’Univers ? On peut déterminer assez facilement la MASSE TOTALE d’une galaxie si elle est aplatie (cas des spirales) : il faut mesurer la VITESSE de ROTATION d’un nuage de gaz situé très loin du centre : ce nuage est attiré par la masse contenue à l’intérieur de son orbite et tourne dans le plan de la galaxie tout comme une planète tourne autour du Soleil. La loi de Newton s’applique comme dans le Système Solaire. On constate alors que la masse galactique ainsi estimée est beaucoup plus forte que ce qu’on peut déduire de la luminosité totale des étoiles, après les corrections nécessaires. Il existe de la « masse cachée » qui ne se manifeste QUE par ses effets gravitationnels. Rotation du disque incliné de NGC 253 en raie 21 cm de H (Anglo-Australian Observatory)

Les AMAS de GALAXIES sont des structures très massives Les AMAS de GALAXIES sont des structures très massives. Ils courbent localement l’espace, ce qui dévie les rayons lumineux provenant de sources situées très loin derrière l’amas: c’est le phénomène de LENTILLE GRAVITATIONNELLE. La physique est bien connue et on peut déduire des images amplifiées des objets d’arrière-plan une estimation de la masse de l’amas : on constate que : -les galaxies elles-mêmes ne comptent que pour quelques %, -le gaz chaud baignant l’espace entre les galaxies (qu’on peut observer en rayons X) pour 1/3 environ, tout le reste est de la « masse cachée ».

Le modèle actuellement « en vogue » (celui qui a l’air de rendre à peu près compte des observations … pour combien de temps ??? ) Matière baryonique : moins de 4 % connue Matière « noire » : 20 - 25 % inconnue Energie « noire » : 70 - 75 % inconnue Mais peut-être la physique est-elle erronnée à très grande échelle, et la théorie einsteinienne de la gravitation insuffisante ?

III) Comprendre les échelles de temps et d’évolution L’astrophysique est une machine à remonter le temps. Si un corps céleste distant de x « années de lumière » EMET, en un « instant zéro », de la lumière dans la direction de la Terre, nous recevrons cette lumière, dans un instrument situé sur Terre (notre œil, par exemple!) au temps t = x Ceci signifie que l’on VOIT le corps céleste tel qu’il était x années AVANT l’instant où l’on a détecté sa lumière Les galaxies très distantes, en particulier, nous apparaissent à un instant de leur évolution beaucoup plus « jeune » que l’époque d’observation. C’est le « temps de recul » (lookback time) qu’on sait faire correspondre au décalage vers le rouge du spectre de la lumière de ces objets. 75 minutes 6400 ans 2 800 000 ans 12 milliards d’années

Temps écoulé après le Big Bang Décalage vers le rouge Evénement Temps écoulé après le Big Bang ~ ∞ Formation des protons (H) et des noyaux d’hélium 400 secondes 1000 Séparation de la lumière et de la matière 380 000 ans 8 à 12 ?? Formation des premières étoiles / galaxies / structures 500 – 800 millions d’années ? ? 3 - 2 ? Fin de la formation des galaxies géantes comme notre Voie Lactée 2 – 3 milliards d’années ? 0,35 Formation du Soleil et des planètes du Système Solaire 9,1 milliards d’années 0,1 ?? Apparition des premières formes de vie sur Terre 12,5 milliards d’années ? 0,0051 Extinction des dinosaures 13,635 milliards d’années 0,0000 Toumaï et Lucy cassent leurs premiers cailloux, on invente l’agriculture, l’imprimerie, le téléphone et les subprimes 13,7 milliards d’années

Hubble Space Telescope Ultra-deep Field

Un détail du Hubble Deep Field North (photo NASA – HST)

IV) Chercher d’autres mondes autour d’autres soleils 1995 : M. Mayor et D. Quéloz découvrent, à l’Observatoire de Haute - Provence, la première planète extrasolaire, un « petit Jupiter chaud », géant gazeux en orbite très serrée (période : 4,2 jours !) autour de l’étoile de type solaire 51 Pégase. Octobre 2009 : 400 planètes extrasolaires ou objets apparentés sont confirmées. De nombreuses étoiles ont des systèmes multi - planétaires. La chasse s’intensifie depuis 3 – 4 ans avec l’apparition d’une nouvelle génération d’instruments spécialisés, dont le satellite CoRoT. Méthode des vitesses radiales Méthode des transits

Les méthodes actuelles de détection (l’imagerie directe exceptée) favorisent la découverte de planètes massives. Mais la surprise fut la découverte systématique de nombreux « Jupiters chauds », très proches de leur étoile, que les théories de formation des années 90 pensaient impossibles ! d < Soleil-Mercure !

Masse la plus faible à ce jour: 19 octobre 2009 : 403 planètes extrasolaires dans 300 systèmes dont 35 multiples Masse la plus faible à ce jour: 2 x MT Bleu : VR Vert: transit Rouge: imagerie directe

V) - Un rêve à portée d’instrument : détecter des exo-Terres… des instruments pour réaliser le rêve : trouver des traces de vie extra-terrestre ! définir les « systèmes » vivants : complexes, se nourrissent (par échanges de matière et d’énergie avec l’environnement), disposent d’un mécanisme de « régénération » (reproduction), évoluent si nécessaire. choisir un type de vie qu’on sait en principe détecter : chimie organique carbonée, eau liquide comme solvant, interface liquide/solide pour les échanges moléculaires. - en découle le choix des mondes à explorer : ils doivent être dans la zone d’habitabilité de leur soleil : eau liquide  T ~ 24 ° C +/- 20 °  distance min /max à l’étoile gravité « raisonnable » planète non gazeuse (mais atmosphère), planète-océan possible

La zone d’habitabilité Trop chaud (-> Vénus) T r o p f i d -> Mars La zone d’habitabilité Terre

Les limites de la zone d’habitabilité dépendent : de la température de surface de l’étoile (solaire, + chaude, - chaude) des paramètres orbitaux de la planète (excentricité trop forte  instabilités climatiques !) du contenu de l’atmosphère de la planète en gaz à effet de serre de l’inclinaison de l’axe de rotation de la planète ./. au plan de son orbite (saisons, variations climatiques) La zone d’habitabilité n’est pas quelque chose d’univoque à déterminer !!! ( exemple : Europe est-elle habitable par des bactéries ?? Réponse souhaitée vers 2030 !!  projet spatial « Laplace »)

Oxygène,ozone et chlorophylle : les clefs de la recherche de la Vie Vénus Mars infrarouge visible Eau - H2O O2 O3 O2, au moins sur Terre, provient EXCLUSIVEMENT de la photosynthèse par les organismes vivants chlorophylliens… O3 est produit depuis O2 par photochimie à haute altitude. 9,6 m

une signature très difficile à détecter … Arnold et al.2002 (OHP) une signature très difficile à détecter … "bord rouge" de la végétation observé en labo sur une feuille verte Seager et al. 2005 pb.: les nuages… Hamdani et al. 2006 (ESO)

Et au-delà, toujours LA question fondamentale : sommes-nous seuls ?