Comprendre l'Univers : Étoiles, Planètes, Big Bang

Composition chimique des étoiles et comment la connaître

Les étoiles sont formées principalement d'hydrogène (H) et d'hélium (He). En observant le spectre d'absorption de la lumière du Soleil, on constate des lignes noires qui correspondent au spectre de la lumière absorbée par l'hélium et l'hydrogène.

Qu'est-ce que la matière noire ?

Environ 90 % de la matière dans l'univers est constituée de ce que l'on appelle la matière noire. Elle est dite 'sombre' car elle n'émet pas de rayonnement, mais elle exerce une attraction gravitationnelle sur le gaz et la poussière de l'univers.

Pourquoi savons-nous que la matière noire existe ?

Des collisions de galaxies ont été observées, causées par l'attraction gravitationnelle entre elles. (Autrement dit, quelque chose situé entre les deux galaxies les attire vers le centre). La collision est détectée car le gaz entourant les galaxies est chauffé et émet des radiations.

Qu'est-ce qu'un trou noir ? Comment le trouver ? Où sont-ils ?

Les trous noirs sont des concentrations de matière à très haute densité, qui génèrent un champ gravitationnel si intense que même la lumière ne peut s'en échapper. On détecte leur existence indirectement, par le rayonnement émis par la matière qui s'accélère juste avant d'y tomber. De nombreux trous noirs supermassifs se trouvent au centre des galaxies.

Où nous situons-nous dans l'univers ?

Nous nous trouvons dans le Système Solaire, qui fait partie de la Voie Lactée. La Voie Lactée appartient au Groupe Local, un groupe d'une trentaine de galaxies. Le Groupe Local fait lui-même partie d'une structure plus vaste appelée le Superamas de la Vierge. Les structures à plus grande échelle sont encore étudiées...

Le Big Bang : Comment l'idée est-elle née ?

Il a été observé que les ondes lumineuses provenant des galaxies lointaines sont décalées vers le rouge du spectre. Cela signifie que leur longueur d'onde est plus longue, comme si la 'vague' était étirée. Ce phénomène est l'effet Doppler, appliqué à la lumière. Ce décalage vers le rouge indique que les galaxies s'éloignent les unes des autres, prouvant que l'univers est en expansion. Cette expansion suggère qu'à l'origine, toute la matière était concentrée dans une zone très petite.

Comment l'idée a-t-elle été confirmée ?

En 1964, Arno Penzias et Robert Wilson, alors qu'ils travaillaient sur un nouveau type d'antenne, ont découvert un très faible rayonnement provenant de toutes les directions de l'univers. Ce rayonnement, appelé rayonnement de fond cosmique, est considéré comme l'écho du Big Bang.

Quel âge a l'univers ?

L'univers est né il y a environ 13,8 milliards d'années (13 800 millions d'années).

L'avenir de l'univers : Énergie sombre et Big Rip

Depuis environ 9 milliards d'années (9 000 millions d'années) après sa formation, les galaxies ont commencé à s'éloigner les unes des autres à des vitesses croissantes. La force responsable de cette accélération est attribuée à l'énergie sombre. Cette forme d'énergie, encore mal comprise, agit à l'encontre de l'attraction gravitationnelle. Selon certaines théories, dans un futur lointain, cette énergie pourrait devenir si dominante qu'elle provoquerait l'éclatement des galaxies, des étoiles et même des atomes. Ce scénario est appelé le Big Rip (la Grande Déchirure).

Le Système Solaire

Quelle est l'origine du Soleil ?

Le Soleil s'est formé suite à l'explosion d'une supernova. Cette explosion a provoqué une onde de choc qui a comprimé une nébuleuse (un nuage de gaz et de poussière) voisine, entraînant son effondrement gravitationnel. Les particules de la nébuleuse se sont rassemblées en un centre de gravité croissant. La collision des particules au centre a généré de la chaleur, atteignant environ 10 millions de degrés Celsius. À cette température, les noyaux d'hydrogène ont commencé à fusionner pour former de l'hélium, libérant une immense quantité d'énergie sous forme de lumière et de chaleur : le Soleil était né.

Comment les planètes du Système Solaire se sont-elles formées ?

L'effondrement de la nébuleuse a formé un disque de matière autour du jeune Soleil. La matière a commencé à s'agglomérer en petits grains sous l'effet des forces électrostatiques. Ces grains ont grossi pour former des corps de plus en plus grands par attraction gravitationnelle. Dans les zones intérieures du disque, de petits corps appelés planétésimaux sont entrés en collision et se sont accrétés pour former les planètes internes (telluriques).

Sommes-nous de la poussière d'étoiles ? Origine des éléments chimiques

Oui, on peut dire que nous sommes de la poussière d'étoiles. En effet, la plupart des éléments chimiques qui nous entourent et qui nous composent ont été synthétisés à l'intérieur des étoiles. À la fin de la vie d'une étoile très massive, lorsque la fusion nucléaire a produit du fer dans son cœur, l'étoile s'effondre sur elle-même. Cet effondrement déclenche une explosion (supernova) et des réactions nucléaires intenses qui génèrent instantanément la plupart des autres éléments du tableau périodique.

Comment la Lune s'est-elle formée ? Comment le savons-nous ?

La théorie la plus acceptée est que la Lune s'est formée suite à une collision gigantesque entre la jeune Terre et une planète de la taille de Mars (parfois appelée Théia). On le sait notamment en analysant la composition des roches lunaires. Celles-ci sont riches en composés à haut point de fusion (comme l'alumine) mais pauvres en composés à bas point de fusion (volatils, comme l'oxyde de sodium). Cela suggère que les matériaux lunaires ont subi un processus à très haute température (la collision) qui a vaporisé et éjecté les éléments volatils, ne laissant que les éléments plus réfractaires.

Qu'est-ce qu'une exoplanète ? Découverte et implications pour la vie

Une exoplanète est une planète qui orbite autour d'une étoile autre que le Soleil. Les premières ont été découvertes en 1995. Elles sont souvent détectées indirectement, par exemple en observant la légère diminution de luminosité d'une étoile lorsqu'une planète passe devant elle (méthode du transit), ou en détectant l'oscillation de l'étoile causée par l'attraction gravitationnelle de la planète en orbite (méthode des vitesses radiales). La découverte de milliers d'exoplanètes, dont certaines potentiellement habitables, a fortement relancé le débat sur l'existence possible de la vie extraterrestre.

Quelles conditions sont nécessaires à l'apparition de la vie ?

(Information non fournie dans le texte original)

Histoire de l'étude de l'Univers : Penseurs clés

• Aristote : Propose un modèle géocentrique où la Terre est au centre de l'univers et les planètes se déplacent sur des sphères concentriques parfaites.
• Ptolémée : Développe un modèle géocentrique complexe avec des épicycles pour expliquer les mouvements apparents des planètes.
• Nicolas Copernic : Propose le modèle héliocentrique, plaçant le Soleil au centre du Système Solaire et la Terre comme une planète en orbite autour de lui.
• Galileo Galilei : Utilise le télescope pour faire des observations (phases de Vénus, lunes de Jupiter) qui apportent des preuves en faveur du modèle héliocentrique de Copernic.
• Isaac Newton : Formule la loi de la gravitation universelle, expliquant pourquoi les planètes restent en orbite autour du Soleil.
• Albert Einstein : Propose la Théorie de la Relativité Générale, un nouveau modèle pour expliquer la gravité comme une déformation de l'espace-temps causée par la masse et l'énergie.