II - L'infiniment grand

Dans ce second chapitre, nous allons étudier l’infiniment grand à travers le système solaire, les galaxies et enfin l’étendue de l’Univers.

Le système solaire est le nom donné à notre système planétaire. C’est un système composé de planètes, ainsi que de divers corps célestes inertes tels que des astéroïdes et des comètes, gravitant autour d'une étoile, le Soleil. Celui-ci se situe à environ 27 000 années-lumière (1) du centre galactique de notre galaxie appelée la Voie Lactée.

En 2006, lors de l’assemblée générale de l’union astronomique internationale (UAI), les scientifiques ont défini chaque objet du système solaire par des caractéristiques bien précises. Tout corps céleste en orbite autour du Soleil, dont la masse est telle que sa force d’attraction lui confère une forme quasi sphérique et qui a éliminé tout autre corps susceptible de se déplacer sur une orbite proche est un planète. Celles-ci au nombre de huit sont représentées sur l’illustration ci-dessus selon leur distance par rapport au Soleil. Quatre planètes sont dites telluriques (Mercure, Vénus, Terre et Mars) et quatre sont dites géantes dont deux constituées de gaz (Jupiter et Saturne) et deux de glace (Uranus et Neptune).

L’UAI définit une planète naine comme un corps céleste orbitant autour du soleil dont la masse est telle que sa force d’attraction lui confère une forme quasi sphérique mais qui n’a pas purgé son voisinage orbital* d’autres corps célestes. A ce jour, l’UAI reconnait officiellement cinq planètes naines : Cérès, Hauméa, Makémaké, Éris et Pluton, qui jusqu’en août 2006 était la neuvième planète du système solaire ; mais selon les astronomes cette définition pourrait s’appliquer à de nombreux autres corps célestes du système solaire.

Enfin, tout objet gravitant autour du soleil sans aucune particularité spécifique, c’est-à-dire qui n’est ni une planète, ni une planète naine, est un petit corps. Les astéroïdes et les comètes font partis des nombreux petits corps du système solaire. Les physiciens ont relevé plus de 580 000 astéroïdes et 3 000 comètes.

Le sens premier du terme étoile désigne un point lumineux dans le ciel. La signification plus précise de ce mot est un corps céleste plasmatique (2) qui émet par rayonnement sa propre lumière par des réactions de fusions nucléaires.

À l’origine, une étoile est un nuage de gaz et de poussières contenant essentiellement de l’hydrogène et de l’hélium. Sous l’effet de perturbations externes, ce  nuage peut perdre sa stabilité. Il se fragmente alors en d’autres petits nuages qui, sous l’effet de la gravité, s’effondrent. En s’effondrant chaque petit nuage va subir une forte augmentation de température et de densité. Dans le centre de chaque petit nuage, la pression et la température ne cessent de grimper jusqu’à devenir gigantesque. Les atomes se dissocient, ce qui facilite les interactions entre protons. Intervient ensuite une force nucléaire qui fusionne les protons pour former des noyaux d’héliums. Par la suite la transformation de l’hydrogène en hélium libère énormément d’énergie et une forte pression. Le corps est alors capable de résister à la gravité, il se stabilise, se réchauffe et se met à briller : une étoile est née.

Le Soleil est l’étoile de notre système planétaire. L’origine du mot Soleil vient du latin sol, solis désignant l’astre, la divinité. Le Soleil est l’étoile la plus proche de la Terre (150 millions de kilomètres). Malgré environ 700 000 kilomètres de rayon (plus de 100 fois le rayon terrestre) (3) et une masse 330 000 fois plus importante (4) que celle de la Terre (deux milliards de milliards de milliards de tonnes), le Soleil est une étoile relativement petite comparée à ses semblables. Par exemple, le rayon de l’étoile Bételgeuse, située dans la constellation d’Orion, est plus de 1 100 fois supérieur à celui du Soleil (voir illustration ci-dessous).

Notre étoile est composée de 75% d’hydrogène et de 25% d’hélium. Elle se situe dans la galaxie de la Voie Lactée à environ 27 000 années-lumières du centre galactique. Autour du Soleil gravitent huit planètes, des planètes naines, des astéroïdes, des comètes et de nombreux autres petits corps. Sa température est de l’ordre de 4 000 à 6 000 degrés Celsius à sa surface et de l’ordre de 15 millions de degrés Celsius au centre. Le Soleil est âgé de 4,6 milliards d’années et il lui reste encore plus de 5 milliards d’années à vivre. Comme toute étoile d’une galaxie, le Soleil tourne autour du centre galactique de la Voie Lactée à une vitesse d’environ 220 kilomètres par seconde. Depuis sa naissance, les scientifiques estiment que notre étoile a effectué entre 20 et 21 révolutions (5).

La durée de vie d’une étoile dépend de sa masse d’origine. Plus elle est massive plus elle consomme de l’hydrogène, et moins elle vit. Sa vie s’arrête lorsque celle-ci a consommé tout l’hydrogène qui se trouve au cœur même de l'étoile. N’ayant alors plus de force de gravitation propre, l’étoile s'effondre sur elle-même. Plus une étoile est grosse plus sa fin de vie sera cataclysmique. L’ étoile peut complètement exploser, c’est alors une  supernova (6).

Les galaxies sont un système d’étoiles, de poussières et de gaz interstellaires liés par la gravité. Les centaines de milliards de galaxies qui peuplent l’Univers concentrent la plus grande partie de la matière (la matière atomique comme la matière noire). Il existe deux principaux types de galaxies : les galaxies spirales et les galaxies elliptiques.

Les différences entre ces deux types de galaxies ne sont pas que morphologiques. Les galaxies spirales sont bleues en raison de la présence d’étoiles massives jeunes et chaudes et contiennent beaucoup de gaz interstellaire (7) qui nourrit la formation des nouvelles étoiles. Cette classe de galaxie se divise en deux groupes : les spirales normales, dans lesquelles les bras se développent directement à partir du noyau, et les spirales barrées qui présentent une grande barre centrale dont les extrémités sont le point de départ des bras. Les galaxies elliptiques sont rouges en raison de la présence d’étoiles peu massives, vieilles, froides et contiennent, en revanche, peu de gaz interstellaire pour nourrir la formation de nouvelles étoiles.

Les galaxies jouent un rôle important dans le phénomène d’expansion. En effet elles ont une vitesse propre à chacune qui est proportionnelle à leur éloignement entre-elles. Par exemple la Voie Lactée se déplace à la vitesse de 65 kilomètres par seconde.

Le système solaire dans lequel nous vivons est situé dans une galaxie : la Voie Lactée. Cette appellation vient du grec ancien galaxias kyklos (γαλαξίας κύκλος) qui signifie "cercle galactique", "cercle lacté" ou encore "cercle laiteux", puis traduite en latin par via lactea qui a donné "voie lactée". Elle trouve son origine dans un récit de la mythologie grecque, celui où Zeus, désirant rendre Héraclès immortel, lui fait téter le sein d'Héra alors endormie. Héra, surprise dans son sommeil, essaye d'arracher Héraclès de son sein, y parvient mais en laissant une giclée de lait qui se répand dans le ciel et qui forme ainsi la Voie Lactée.

La Voie Lactée, qui désigne de façon plus poétique la Galaxie dans laquelle évolue notre système solaire, serait (8) une galaxie spirale barrée qui, d’après une estimation, comprendrait environ 250 milliards d’étoiles. Son diamètre est estimé entre 100 et 120 000 années-lumières, et son épaisseur est seulement d’environ 1 000 années-lumières. Depuis mai 2016, les scientifiques connaissent la masse de la Voie Lactée qui est approximativement 700 000 milliards de fois celle du Soleil. Son centre galactique, comme toute galaxie, abrite un objet compact de très grande masse qui est un trou noir (9) supermassif. Observée de la Terre, la Voie Lactée apparaît comme étant une bande blanchâtre. Bande car le système solaire est situé sur la bordure extérieure de la Galaxie et blanchâtre en raison de la multitude d’étoiles, que l’on ne peut distinguer à l’œil nu.

Les galaxies ne sont pas réparties au hasard dans l’Univers. Elles s’assemblent pour bâtir un gigantesque réseau cosmique. Les amas de galaxies sont un ensemble de galaxies, liées par la gravité, et "baignant" dans un gaz à très haute température. Les scientifiques les classent généralement en deux catégories : un groupe lorsque l’ensemble comporte moins d’une centaine de membres et un amas au-dessus de ce seuil.

Les propriétés d’un amas sont généralement un ensemble de 100 à 1 000 galaxies, une masse totale d’environ 10 puissance 15 masses solaires (10) et un diamètre d’environ 33 millions d’années-lumière.

La Voie Lactée appartient à un groupe d’une soixantaine de galaxies que l’on appelle le Groupe Local et dont la taille atteint environ dix millions d’années-lumière. Ce groupe est dominé par deux galaxies spirales massives, la Voie lactée et la galaxie d’Andromède, séparées d’environ 2,5 millions d’années-lumière.

Il existe des superamas qui sont un ensemble d’amas et dont la taille varie de 100 à 150 millions d’années-lumières. Le Groupe Local se situe dans le superamas de la Vierge. Les superamas sont les plus grandes structures connues de l’Univers.

Par leurs dimensions spectaculaires, les amas permettent d’étudier la formation des galaxies et servent d’étalons pour déterminer des paramètres cosmologiques, comme la densité de la matière dans l’Univers et les proportions relatives de la matière atomique, de la matière noire (nature encore inconnue à ce jour) ou encore de l’énergie noire, qui est la composante cosmique la plus récemment mise en évidence mais dont la nature est elle aussi inconnue.

Le mot Univers nous vient du latin universum qui signifie "tout". Il contient l’ensemble de la matière distribuée dans l’espace-temps*. Il y a 13,8 milliards d’années a eu lieu le Big-bang, et depuis ce temps l’Univers n’arrête pas de grandir. À titre d’information, tous les renseignements que nous recevons de l’Univers par le biais de la lumière ne sont qu’une image ou représentation du passé. En effet il faut un certain temps à la lumière pour parvenir jusqu’ à nous. Par exemple la lumière qu’on observe du Soleil à un moment t, n’est que la lumière émise par celui-ci environ huit minutes plutôt.

L’Univers ne cesse d’être en expansion. Ce phénomène est lié à l’éloignement des composants de l’Univers tels que les galaxies ou les amas de galaxies. Les chercheurs se sont rendus compte que ce ne sont pas les galaxies qui s’éloignent mais l’espace qui enfle. Cet espace est composé de gaz qui se dilatent et qui créent l’éloignement des galaxies entre elles créant alors un phénomène d’expansion. Les galaxies ont alors une vitesse qui leurs est propre et qui est proportionnelle à leurs éloignements. Cette proportionnalité a été découverte par l’astronome Edwin Hubble (1889-1953) dans les années vingts qui observa que plus une galaxie est éloignée d’une autre, plus sa vitesse de déplacement est importante.

La question de la taille de l’Univers est très ancienne et se pose lorsqu’on lève les yeux vers le ciel étoilé. Jusqu’au début du XXe siècle, de nombreux astronomes pensaient que la Voie Lactée était le seul système d’étoiles dans un espace d’extension infini et insondable. Aujourd’hui, nous savons que la Galaxie n’est qu’une parmi des centaines de milliards d’autres qui peuplent l’Univers, ce dernier étant bien plus grand que ce qu’on pourrait l’imaginer.

Définir la taille exacte de l’Univers n’est pas aussi évident qu’on pourrait le penser. Si on pose la question aux cosmologistes*, ils nous répondront tout simplement qu’ils ne savent pas. Cela parait étonnant dans la mesure où la théorie de la relativité générale*  établie par Albert Einstein (1879-1955) entre 1907 et 1915 permet de décrire l’évolution de l’Univers entier depuis sa naissance. Sauf qu’en réalité, celle-ci ne permet pas de définir les propriétés géométriques du cosmos car elle est seulement capable de nous renseigner sur les courbures de l’Univers.

Aucune particule de lumière n’a pu voyager plus longtemps que l’âge de l’Univers, qui est aujourd’hui de 13,8 milliards d’années, et celles qui ont voyagé tout ce temps proviennent forcément des régions les plus lointaines de l’Univers. Cela signifierait donc que la taille de l’Univers est de 13,8 milliards d’années-lumières. Or c’est l’erreur que commettent de nombreuses personnes qui pensent que comme rien ne peut excéder la vitesse de la lumière, la taille de l’Univers est alors de 13,8 milliards d’années-lumières. Mais en réalité, à cause du phénomène d’expansion de l’Univers, le lieu d’origine de ces particules de lumière s’est éloigné de nous en même temps que ces dernières se sont propagées dans notre direction. Les scientifiques estiment aujourd’hui que ce lieu d’origine se trouve  à 46,5 milliards d’années-lumières.

Cette taille démesurée n’est pourtant pas la taille réelle de l’Univers. Elle correspond seulement au rayon de l’Univers observable* (voir l’illustration ci-dessous), c’est-à-dire la partie visible de notre Univers. En effet nous pouvons observer les objets dont la distance a été parcourue par la lumière dans le temps qui s’est écoulé depuis le moment où l’Univers est né, c’est-à-dire une plage de temps d’au moins 13,8 milliards d’années ; la lumière qui est émise par des organismes les plus éloignés n’a pas encore eu le temps de nous rejoindre, nous ne pouvons donc pas savoir ce qu’il y a au-delà de l’Univers observable.

Mais celui-ci ne cesse de grandir, nous permettant chaque jour d’en découvrir un peu plus sur l’Univers. En effet le rayon de l’Univers observable est une seconde-lumière (11) plus grand chaque seconde soit environ 300 000 kilomètres de plus qui s’ajoutent au rayon de l’Univers visible, et une année-lumière plus grand chaque année soit environ 10 000 milliards de kilomètres en plus ; et en prenant en compte le phénomène d’expansion de l’Univers, le rayon de l’Univers observable devient encore plus grand. Pour résumer, l’extension de l’Univers observable varie avec le temps qui reçoit progressivement la lumière des objets de plus en plus éloignés. Il convient enfin de rappeler que la taille de l’Univers observable ne dépend pas des capacités technologiques utilisées, mais est conçu comme une limite physique indépendante de tout progrès dans le domaine de l’observation.

Notes :

1. Une année-lumière ou a.l correspond à la distance que parcourt la lumière en une année soit environ 9 460 milliards de kilomètres.
2. Relatif au plasma. Le plasma est un état de la matière (au même titre que liquide, solide ou gaz). C’est de la matière partiellement ou totalement ionisée.
3. Le rayon terrestre est de  6371 kilomètres.
4. Le Soleil représente à lui seul environ 99,854 % de la masse du Système solaire.
5. Une révolution est le mouvement orbital d’un corps céleste autour d’un autre ayant une masse plus importante.
6. Une supernova est l’ensemble des phénomènes qui résultent de l’implosion d’une étoile en fin de vie, notamment une gigantesque explosion qui s’accompagne d’une augmentation brève mais très grande de luminosité.
7. Composé essentiellement d’hydrogène, il constitue 99 % de la matière interstellaire (matière qui remplit l’espace entre les étoiles).
8. L’emploi du conditionnel est justifié par le fait que le Soleil se situant dans la Voie Lactée, empêche les scientifiques de savoir exactement si la Galaxie est une galaxie spirale normale ou barrée. Pour cela il faudrait quitter notre galaxie pour avoir une vision globale de celle-ci.
9. Les trous noirs sont des régions de l’Univers d’où rien ne peut s’échapper, ni la matière, ni même la lumière.
10. La masse solaire est une grandeur physique qui est à la fois une constante astronomique et une unité du système international. Elle vaut 1,988 × 10 puissance 30 kg.
11. Une seconde-lumière est la vitesse que parcourt la lumière en une seconde, soit environ 300 000 kilomètres.

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