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Qu’est-ce que l’astro-physique ? Qu’est-ce que la planète, l’étoile, la galaxie, le trou noir, etc…

samedi 6 octobre 2012, par Robert Paris

Qu’est-ce que l’astro-physique ? Qu’est-ce que la planète, l’étoile, la galaxie, le trou noir, etc…

Extraits de « L’Univers et la lumière » de Laurent Nottale

Le Soleil

Le Soleil est une énorme sphère de masse deux fois dix puissance 33 grammes et de rayon 700.000 kilomètres, constituée essentiellement d’hydrogène et d’hélium. Le rayonnement qui s’en échappe est issu des réactions thermonucléaires de fusion transformant l’hydrogène en hélium au cours d’un cycle compliqué, portant sa température interne à plusieurs dizaines de millions de degrés et sa surface à 5.700 degrés Kelvin.

Le système solaire

Notre planète est la troisième planète d’un système de corps froids, planètes et astéroïdes, orbitant autour d’une étoile moyenne, le Soleil. La Terre fait partie des planètes les plus proches du Soleil, le groupe des planètes telluriques (qui comprend en plus d’elle Mercure, Vénus et Mars). Ce sont des planètes « solides » semblables à la Terre, dont trois possèdent des atmosphères, dense pour Vénus, ténue pour Mars. Plus loin on rencontre les planètes géantes : Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune. Beaucoup plus massives que les palètes telluriques (Jupiter fait un millième de la masse du Soleil), elles sont entourées d’anneaux ou d’arcs (celui de Saturne est spectaculaire et connu pratiquement depuis Galilée, les autres sont de découverte récente) et sont constituées d’hydrogène et d’hélium essentiellement. La dernière planète connue, Pluton (et son compagnon Charon), orbite à plus de cinq milliards de kilomètres du Soleil. Mais les limites effectives du système solaire pourraient être cent fois plus grandes et s’identifier avec le nuage de noyaux cométaires postulé par Oort, situé au centième de la distance aux étoiles proches.

Notre galaxie

Franchissons par la pensée ce vaste vide, que la lumière elle-même met plus de trois ans à traverser. Nous arrivons aux étoiles voisines, qui se rassemblent en un groupe local d’une centaine de parsecs de diamètre. (Le parsec est le parcours de la terre autour du soleil divisé par 3600 soit 150 millions de kilomètres)

Ce groupe local n’est lui-même qu’une infime partie d’un gigantesque système de plus de cent milliards d’étoiles qui forme avec le gaz et les poussières interstellaires, notre Galaxie. Elle est aplatie sous forme d’un vaste disque que nous observons de l’intérieur, vue par la tranche en projection sur le ciel. Le Soleil se trouve situé à sa périphérie, à environ dix mille parsec du centre.

Imaginons maintenant que nous puissions sortir de notre Galaxie et l’observer de l’extérieur, non plus de profil, mais de face. On s’apercevrait alors qu’étoiles, gaz et poussières ne sont pas distribués de façon uniorme sur ce disque, mais qu’ils se concentrent dans des bras spiralant depuis les régions centrales jusqu’aux régions externes. Notre Soleil appartient précisément à l’un de ces bras, qui sont vraisemblablement des ondes de densité.

De quoi est composée la Galaxie ?

En fait notre Galaxie est un objet composite. Avant de former globalement cette imposante structure, les différents astres qui la composent se rassemblent en groupes ou amas d’étoiles… Les amas ouverts sont des regroupements irréguliers d’étoiles jeunes, associées à du gaz et des poussières, qui se trouvent situés essentiellement dans le plan du disque galactique… Les amas globulaires sont des concentrations à symétrie sphérique de centaines de milliers d’étoiles, dépourvus de gaz, répartis dans un halo très peu aplati de plusieurs milliers de parsecs de demi-épaisseur…

Le gaz interstellaire, constitué essentiellement d’hydrogène, forme des nuages, de petites dimensions en général… Enfin, les poussières interstellaires, responsables de l’absorption et du rougissement de la lumière traversant la Galaxie, sont le plus souvent liées au gaz.

La Galaxie ne tourne pas uniformément comme un corps solide, à l’exception des régions centrales, mais elle est entraînée dans une rotation différentielle. La vitesse de rotation ne croît pas vers l’extérieur proportionnellement à la distance au centre, mais beaucoup moins vite, jusqu’à atteindre un maximum d’environ 260 kilomètres par seconde à huit parsecs du centre... Plus loin, elle reste pratiquement constante autour de 250 kilomètres par seconde, ce qui est la vitesse de notre propre Soleil… Cette absence de décroissance de la vitesse, y compris dans les couches très extérieures de la Galaxie, est très étonnante, car au-delà d’une dizaine de mille parsecs, la densité de matière observée décroît très rapidement… Les astronomes ont été amenés à postuler qu’en fait notre Galacie s’étendait beaucoup plus loin que sa partie visible sous forme d’un halo massif, et qu’une grande partie de sa masse était totalement obscure. Elle atteint sans doute mille milliards de masses solaires et dépasse les cent mille parsec de rayon !

Les autres galaxies

Nous entrons dans le monde des galaxies, qui se caractérise par la richesse et la diversité des structures rencontrées… Certaines galaxies ne montrent aucune structure : ce sont les galaxies elliptiques… Inversement, les galaxies spirales montrent une étonnante diversité de structures… Il existe de plus une population de galaxies chaotiques, bizarres ou inclassables qui ont été appelées irrégulières par Hubble… Pourtant ces raffinements ne suffisent pas à épuiser l’énorme diversité des structures rencontrées dans les galaxies… Il faut signaler l’existence, en grand nombre, de galaxies elliptiques naines, qu’on trouve souvent comme compagnon de galaxies géantes… Ces objets, avec les spirales naines et les galaxies irrégulières magellaniques, constituent vraisemblablement le type de galaxies le plus fréquent dans l’Univers….

Distribution des galaxies

Les galaxies ne sont pas réparties dans l’Univers de manière uniforme, mais au contraire tendent à se regrouper en paires, groupes, amas, superamas, feuillets et filaments entourant de vastes régions vides… Les galaxies s’organisent en vastes ponts reliant les amas, laissant libres de gigantesques vides.

De grands vides, voilà peut-être la structure dominante dans l’Univers ! Tout se passe comme si les galaxies se distribuaient sur les parois d’une structure cellulaire, comme si le vide n’était pas là où il n’y a pas de matière, mais plutôt la matière là où il n’y a pas de vide.

Les quasars

Jusqu’aux années 1960, les constituants reconnus de l’Univers étaient les seules galaxies (mis à part de milieu intergalactique). La découverte des « quasars » provoqua une nouvelle explosion des limites de l’Univers observable et une véritable révolution en astrophysique extra-galactique…

La luminosité des quasars est impressionnante : les plus brillants d’entre eux peuvent être cent mille fois plus lumineux qu’une galaxie géante de cent milliards d’étoiles. Leus aspect stellaire montre que cette lumière provient d’une toute petite région…

La découverte de galaxies entourant les quasars, ajoutée à la grande similitude de leurs spectres avec ceux des noyaux (beaucoup moins lumineux) de certaines galaxies de Seyfert, a conduit à la conclusion que les quasars sont en fait des noyaux extrêmement actifs de galaxies… Toutes ces caractéristiques ont permis de conclure qu’un objet supermassif et ultracompact était présent au cœur des quasars, dont la masse pourrait atteindre un milliards de masses solaires dans un rayon de quelques heures-lumières seulement.

Ce résultat a conduit à la fusion naturelle de ces astres exceptionnels avec un des plus extraordinaires objets théoriques prévus par la relativité générale, les « trous noirs »…

De tels trous noirs supermassifs auraient des effets extraordinaires sur la matière qui passerait à proximité : les étoiles se briseraient et exploseraient par collisions entre elles. Leur matière et celle d’un gaz éventuel qui aurait été aspiré dans les régions entourant cette masse se mettraient à spiraler à grande vitesse autour du trou noir, en perdant une grande partie de leur énergie sous forme de rayonnement qui s’échapperait vers l’extérieur…

L’expansion de l’Univers

Il ne s’agit pas là, il faut y insister, d’un mouvement effectif des objets au sens usuel du terme, cette variation des distances est due à une contraction ou à une expansion de l’espace lui-même en fonction du temps, à un caractère fondamentalement non statique de l’espace-temps. On sait, par les mesures de décalage spectral des galaxies et des quasars qui se fait systématiquement vers les grandes longueurs d’onde (« vers le rouge »), que l’Univers est actuellement « en expansion »…

Cette expansion de l’Univers n’existe physiquement (c’est-à-dire ne peut se manifester dans les phénomènes physiques mesurables : en premier lieu le décalage vers le rouge cosmologique) que s’il existe de petites échelles où il n’y a PAS expansion.

En renversant l’argument précédent, on voit que si l’expansion de l’Univers devait s’appliquer à toutes les échelles, y compris microscopiques, elle deviendrait inobservable.

L’expansion de l’Univers se ramène, en dernier recours, à une variation au cours du temps des unités cosmologiques par rapport aux unités microscopiques, celles qui vont définir la fréquence au repos des différentes raies spectrales…

L’explosion primordiale

L’existence du point singulier dans le passé a fait couler beaucoup d’encre… Il faut se garder d’aborder ce résultat avec trop de naïveté. Les termes imagés de « grande explosion » et de « big bang » (forgé par Fred Hoyle pour déconsidérer ce concept auquel il s’opposait !) prêtent à confusion. On voit souvent l’explosion primordiale comparée à une explosion effective telle qu’elle peut se produire à notre échelle. Dans une explosion au sens habituel du terme, les débris s’écartent les uns des autres et d’un centre commun qu’ils laissent vide. Ils se déplacent vers l’extérieur et atteignent éventuellement d’autres objets. Le phénomène explosif classique est reconnu comme tel car vu de l’extérieur par un observateur qui n’y participe pas.

Dans le cas de l’Univers, il n’y a pas d’extérieur. Même pendant l’ « explosion primordiale », c’est la « comobilité » qui prévaut, c’est l’espace qui se dilate…

Contrairement à une explosion où de la matière se déplace, laissant des vides à certains endroits et s’accumulant ailleurs, l’Univers reste homogène et isotrope pendant le big bang.

L’existence de cet instant privilégié t = 0 lui-même ne doit pas être interprétée de manière anthropocentrique, comme s’il s’agissait d’une naissance ou d’une création de l’Univers à partir de rien…

Comme souvent en physique, l’apparition d’un point singulier peut signifier simplement l’apparition des limites du domaine d’application d’une théorie. C’est sans doute le cas si l’on remonte jusqu’au temps de Planck (un dix million de milliard de milliard de milliard de milliardième de seconde) pour lequel on s’attend qu’effet quantique et gravitation deviennent du même ordre.

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