INTRODUCTION A L'ASTRONOMIE

MAJ & corrections par Phoebe : le 04/12/2017

LA LOI DES ASTRES

EXPLORATION SPATIALE

Généralités historiques

L’astronomie est la science de l’observation des astres qui cherche à expliquer leur origine, leur évolution ainsi que leurs propriétés physiques et chimiques. Le terme provient du Grec ancien « astronomia » signifiant littéralement, « la loi des astres ».

L’astronomie est un art complexe et la science la plus ancienne encore pratiquée de nos jours. L’archéologie nous révèle que les civilisations de l’Age du Bronze possédaient déjà certaines connaissances en astronomie, en mettant en évidence le caractère périodique des équinoxes et sans doute leur relation avec le cycle des saisons, elles savaient également reconnaître certaines constellations.

L’astronomie moderne doit son développement à celui des mathématiques depuis l’Antiquité grecque et à l’invention d’instruments d’observation à la fin du Moyen Age. Au début, durant la Haute Antiquité, toutes les observations se faisaient à l’œil nu et nécessitaient une écriture (ou proto-écriture) regroupant un ensemble de signes représentants les principaux objets et événements ainsi qu’un système comprenant une cosmogonie (ou création du monde : mythes et légendes rassemblant des concepts, symboles et paradoxes communs), une cosmologie (branche de l’astrophysique étudiant l’Univers en tant que système physique), certainement religieuse au départ. La cosmologie religieuse est une représentation sociale proposée par une religion concernant le monde accessible aux êtres humains. Ce système comprend également une description d’une carte du ciel ainsi qu’un calendrier, parfois très détaillé et un observatoire rudimentaire.

Pendant longtemps, l’astronomie fut associée à l’astrologie. Cette séparation se fera durant le Siècle des Lumières pour se perpétuer jusqu’à nos jours.

Selon Claudius Ptolémaeus (dit Ptolémée, 90-168 av. JC) astronome et astrologue grec, la Terre se trouvait au centre de l’Univers et tous les corps dans le ciel tournaient autour d’elle en formant des cercles éternels au mouvement parfait. Cette théorie géocentrique s’oppose à la théorie héliocentrique, théorie qui place le Soleil au centre de notre galaxie, la Voie Lactée. Ptolémée est également le précurseur de la géographie et est l’auteur de plusieurs traités scientifiques, dont les plus connus sont, Le Traité d’astronomie (connu sous le nom d’Almageste, la Grande Composition ou Compositions mathématiques) ; Le Traité de géographie, qui constitue une discussion approfondie sur les connaissances géographiques du monde gréco-romain.

En Europe occidentale, le système géocentrique resta en vigueur jusqu’au Moyen Age. La théorie de l’héliocentrisme est connue depuis l’Antiquité tardive grecque, développée par Aristarque de Samos (310-230 av. JC), mathématicien et astronome grec, mais qui n’eut guère de succès en son temps. Dès cette époque, il fut possible de calculer avec précision les mouvements des astres ainsi que les éclipses lunaires et solaires. Ainsi, dès l’Antiquité, il avait déjà été répertorié quarante huit constellations et un millier d’étoiles. Au Moyen Age, d’autres domaines tels que les mathématiques, la géométrie, la trigonométrie ainsi que la philosophie furent utilisés pour étudier l’astronomie. Au 9^ème siècle, l’astronomie se développe dans le monde musulman.

Durant l’Antiquité, l’astronomie consiste en l’astrométrie, c’est-à-dire, mesure de la position dans le ciel des étoiles et les planètes. Les travaux de Johannes Kepler (1571-1630), célèbre astronome allemand et d’Isaac Newton (1642-1727), philosophe, mathématicien, physicien, alchimiste, astronome et théologien anglais, mettent en avant la mécanique céleste permettant la prévision mathématique des mouvements des corps célestes sous l’action de la gravitation. De nos jours, le mouvement et la position des objets pouvant être rapidement connus grâce à la technologie (radiotélescopes, radioastronomie, traitements informatiques), l’astronomie moderne se concentre sur l’observation et la compréhension de la nature physique des objets célestes.

Nicolas Copernic (1473-1543), chanoine, médecin et astronome, estimait que le système de Ptolémée ne permettait pas d’expliquer avec précision ce qu’il observait dans le ciel. Copernic fut le premier à déterminer l’ordre exact des planètes dans le Système solaire. A l’époque moderne, pendant la Renaissance, Copernic propose un modèle héliocentrique, c’est-à-dire qu’il place le Soleil au centre de l’Univers, dans De Revolutionibus, publié en 1543. Un siècle plus tard, cette idée sera développée et corrigée par Galilée et Kepler. Selon ses lois sur la gravitation, Newton donne une explication théorique sur les mouvements des planètes et invente le télescope réflecteur qui améliore les observations.

Galilée (1564-1642), physicien et astronome italien, refusa d’admettre le modèle héliocentrique tant qu’il ne disposa pas de preuves suffisantes fondées sur l’observation. Ceci fut possible dès l’invention d’une lunette astronomique par un opticien hollandais prénommé Hans Lippershey en 1608.

L’astronomie permet non seulement d’observer le Soleil, les planètes et les étoiles, mais également les comètes, les météorites, les astéroïdes et les nébuleuses. Certains phénomènes cosmiques sont moins connus que d’autres tels que les quasars (galaxies lointaines possédant une forte luminosité et une grande énergie), la matière noire (qui constitue 90 % de l’Univers), les trous noirs (éléments dotés d’une forte densité et d’une immense force gravitationnelle engloutissant tout sur son passage même la lumière).

Objet radio quasi stellaire (quasar)

L’univers

Grâce à la théorie de la relativité générale mise en avant en 1915 par Albert Einstein, il est possible de décrire l’Univers comme un système physique. La théorie du Big Bang est le modèle cosmologique adopté par l’ensemble de la communauté scientifique pour décrire l’origine et l’évolution de l’Univers. Ce modèle fut en premier lieu proposé en 1927 par Georges Lemaître qui décrivait les grandes lignes de l’expansion de l’Univers avant qu’Edwin Hubble les mettent en évidence deux ans plus tard.

Le terme de « Big Bang » est associé à toutes les théories qui décrivent l’Univers comme issu d’une dilatation rapide, qui ferait hypothétiquement penser à une explosion. Le moment du Big Bang est considéré comme le temps zéro de notre univers.

La cosmologie moderne est l’étude de l’origine, de l’évolution et de la structure de l’Univers. Au début du 20^ème siècle, la découverte et l’observation d’autres galaxies démontrent que l’Univers possède une taille « gargantuesque », ce qui permit aux astronomes de mieux comprendre sa structure et son évolution. La majorité des scientifiques s’accordent sur le fait que la couleur rouge caractérise des étoiles qui s’éloignent de notre système solaire, serait la preuve que l’Univers se dilate. Il en résulte deux théories : celle de l’Univers stationnaire  et celle du Big Bang.

En 1948, Fred Hoyle, Thomas Gold et Herman Bondi avancèrent la théorie que l’Univers est une entité éternelle et infinie, dans l’espace et dans le temps, sans commencement ni fin. Bien que cette théorie suggère un Univers statique, les trois scientifiques ne réfutèrent pas l’idée de son expansion. L’hypothèse avancée est que l’Univers ne change pas d’apparence au fil du temps. Lorsque les galaxies s’éloignent de la Voie Lactée et disparaissent du champ de vision terrestre, de la nouvelle matière crée de nouvelles galaxies, de telle sorte que la densité de l’Univers reste constante.

La Voie Lactée

La théorie du Big Bang

« L’espace et le temps se déploient sur une vaste toile de fond : quinze millions d’années depuis le Big Bang, lorsque l’Univers entier se résumait à une particule subatomique. La naissance du Soleil est estimée à cinq milliards d’années. Étudier un objet situé aux limites de l’espace revient à regarder des centaines de millions d’années dans le passé, à cause des distances inimaginables parcourues par la lumière ».

Au-delà de la théorie stationnaire (jusque dans les années 1950), la théorie du Big Bang repose sur l’idée que si l’Univers est en expansion et que les galaxies s’éloignent les unes des autres, il y a dû y avoir, à un moment de l’histoire de l’Univers, un point originel au sein duquel une gigantesque explosion s’est produite, permettant à ce dernier de s’étirer.

La différence entre la théorie de l’Univers stationnaire et celle du Big Bang réside dans le fait que dans la première, il existe de jeunes galaxies qui naissent à tout moment dans l’Univers ; dans la deuxième, tout a été créé lors de l’explosion primordiale. Les galaxies les plus lointaines nous apparaissent jeunes car leur lumière met des milliards d’années à nous parvenir et les radiogalaxies, émettant de puissantes ondes radio, sont extrêmement éloignées de notre Système solaire, ce qui constitue un argument de taille en faveur de la théorie du Big Bang.

Grâce à la découverte en 1963 de puissantes sources radio, les quasars (objets radio quasi stellaires), dont un certain nombre émet de puissantes ondes électromagnétiques et dont la distance est estimée à plusieurs milliards d’années-lumière, la théorie de l’Univers stationnaire fut remise en cause, car ces puissantes sources radio seraient des phénomènes qui se répartiraient d’une façon homogène au sein de l’Univers.

Objet radio quasi stellaire (quasar)

En 1965, Arno Penzias et Robert Wilson ont fait des recherches sur le développement d’une technologie téléphonique par satellites. C’est en tentant de capter le signal stellaire qu’ils ont découvert par le plus grand des hasards, le rayonnement du fond cosmologique, qui correspond à un faible et constant bruit de fond, apparaissant dans le spectre des ondes radio.

Cette découverte valida la théorie du Big Bang qui remplaça celle de l’Univers stationnaire. Grâce au décalage des longueurs d’onde (vers le rouge ou vers le bleu), la communauté scientifique s’interroge sur l’évolution de l’Univers. Toutes les galaxies s'éloignent les unes des autres, y compris notre galaxie, la Voie Lactée, sauf Andromède, montrant une longueur d’onde tirant vers le bleu, qui se rapproche de nous sous l’effet de la gravité.

Squelette de la matière noire

Parmi les défenseurs de la théorie du Big Bang, certains pensent que l’expansion de l’Univers s’arrêtera puis s’inversera jusqu’à ce que toute la matière se contracte provoquant la mort du temps, cet événement est souvent appelé le " Big Crunch ".

Selon la théorie du Big Bang, aucune matière ni énergie n’a été créée de manière à obtenir une densité maximale lors de l’explosion primordiale. D’après des calculs récents, l’Univers paraîtrait moins dense, ce qui signifie qu’il serait éternellement en expansion.

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Source :

Astronomie, étoiles et planètes - Duncan John - 2008

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