1.6 : Un tour de l'univers
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Nous pouvons maintenant faire un bref tour d'introduction de l'univers tel que les astronomes le comprennent aujourd'hui afin de nous familiariser avec les types d'objets et les distances que vous rencontrerez tout au long du texte. Nous commençons par la Terre, une planète presque sphérique d'environ 13 000 kilomètres de diamètre (Figure\(\PageIndex{1}\)). Un voyageur spatial pénétrant dans notre système planétaire distinguerait facilement la Terre des autres planètes de notre système solaire par la grande quantité d'eau liquide qui recouvre environ les deux tiers de sa croûte. Si la voyageuse avait l'équipement nécessaire pour recevoir des signaux de radio ou de télévision, ou si elle s'approchait suffisamment pour voir les lumières de nos villes la nuit, elle trouverait rapidement des signes indiquant que cette planète aquatique possède une vie sensible.
Notre voisin astronomique le plus proche est le satellite de la Terre, communément appelé Lune. La figure\(\PageIndex{2}\) montre la Terre et la Lune dessinées à l'échelle sur le même schéma. Remarquez à quel point nous devons fabriquer ces corps pour les adapter à la page avec la bonne échelle. La distance entre la Lune et la Terre est environ 30 fois le diamètre de la Terre, soit environ 384 000 kilomètres, et il faut environ un mois pour que la Lune tourne autour de la Terre. Le diamètre de la Lune est de 3 476 kilomètres, soit environ un quart de la taille de la Terre.
La lumière (ou ondes radio) met 1,3 seconde à se déplacer entre la Terre et la Lune. Si vous avez visionné des vidéos des vols d'Apollo vers la Lune, vous vous souvenez peut-être qu'il s'est écoulé environ 3 secondes entre le moment où Mission Control a posé une question et le moment où les astronautes ont répondu. Ce n'était pas parce que les astronomes réfléchissaient lentement, mais plutôt parce qu'il a fallu près de 3 secondes aux ondes radio pour faire l'aller-retour.
La Terre tourne autour de notre étoile, le Soleil, qui se trouve à environ 150 millions de kilomètres, soit environ 400 fois plus loin de nous que la Lune. Nous appelons la distance moyenne entre la Terre et le Soleil une unité astronomique (UA) parce que, au début de l'astronomie, c'était l'étalon de mesure le plus important. La lumière met un peu plus de 8 minutes pour parcourir une unité astronomique, ce qui signifie que les dernières nouvelles que nous recevons du Soleil datent toujours de 8 minutes. Le diamètre du Soleil est d'environ 1,5 million de kilomètres ; la Terre pourrait s'adapter confortablement à l'une des éruptions mineures qui se produisent à la surface de notre étoile. Si le Soleil était réduit à la taille d'un ballon de basket, la Terre serait un petit pépin de pomme situé à environ 30 mètres du ballon.
Il faut 1 an à la Terre (\(3 × 10^7\, seconds\)) pour faire le tour du Soleil à notre distance ; pour le faire, nous devons parcourir environ 110 000 kilomètres par heure. (Si, comme beaucoup d'étudiants, vous préférez toujours les kilomètres aux kilomètres, vous trouverez peut-être l'astuce suivante utile. Pour convertir des kilomètres en miles, il suffit de multiplier les kilomètres par 0,6. Ainsi, 110 000 kilomètres par heure deviennent 66 000 miles par heure.) Parce que la gravité nous tient fermement à la Terre et qu'il n'y a aucune résistance au mouvement de la Terre dans le vide spatial, nous participons à ce voyage extrêmement rapide sans nous en rendre compte au jour le jour.
La Terre n'est qu'une des huit planètes qui tournent autour du Soleil. Ces planètes, ainsi que leurs lunes et leurs essaims de corps plus petits tels que les planètes naines, constituent le système solaire (Figure\(\PageIndex{3}\)). Une planète est définie comme un corps de taille significative qui tourne autour d'une étoile et ne produit pas sa propre lumière. (Si un corps de grande taille produit régulièrement sa propre lumière, on l'appelle alors étoile.) Plus tard dans le livre, cette définition sera légèrement modifiée, mais elle convient parfaitement pour le moment, lorsque vous commencez votre voyage.
Le Soleil est notre étoile locale, et toutes les autres étoiles sont également d'énormes boules de gaz incandescentes qui génèrent de grandes quantités d'énergie par des réactions nucléaires au plus profond de nous. Nous aborderons plus en détail les processus qui font briller les étoiles plus en détail plus loin dans le livre. Les autres étoiles semblent faibles uniquement parce qu'elles sont très éloignées. Si nous poursuivons notre analogie avec le basket-ball, Proxima Centauri, l'étoile la plus proche au-delà du Soleil, à 4,3 années-lumière, se trouverait à près de 7 000 kilomètres du ballon de basket.
Lorsque vous regardez un ciel étoilé par une nuit claire, toutes les étoiles visibles à l'œil nu font partie d'une collection d'étoiles que nous appelons la Voie lactée, ou simplement la galaxie. (Lorsque nous faisons référence à la Voie lactée, nous utilisons Galaxie en majuscules ; lorsque nous parlons d'autres galaxies d'étoiles, nous utilisons des galaxies minuscules.) Le Soleil est l'une des centaines de milliards d'étoiles qui composent la Galaxie ; son étendue, comme nous le verrons, bouleverse l'imagination humaine. Dans une sphère de 10 années-lumière de rayon centrée sur le Soleil, nous trouvons environ dix étoiles. Dans une sphère d'un rayon de 100 années-lumière, il y a environ 10 000 (104) étoiles, bien trop nombreuses pour les compter ou les nommer, mais nous n'avons encore parcouru qu'une infime partie de la Voie lactée. Dans une sphère de 1000 années-lumière, nous trouvons environ dix millions (107) étoiles ; dans une sphère de 100 000 années-lumière, nous englobons enfin la totalité de la Voie lactée.
Notre galaxie ressemble à un disque géant avec une petite boule au milieu. Si nous pouvions sortir de notre galaxie et regarder le disque de la Voie lactée d'en haut, elle ressemblerait probablement à la galaxie de la Figure\(\PageIndex{5}\), avec sa structure en spirale définie par la lumière bleue d'étoiles adolescentes chaudes.
Le Soleil se trouve à un peu moins de 30 000 années-lumière du centre de la Galaxie, dans un endroit où rien ne permet de le distinguer. De notre position à l'intérieur de la Voie lactée, nous ne pouvons pas voir jusqu'à son bord le plus éloigné (du moins pas avec la lumière ordinaire) car l'espace entre les étoiles n'est pas complètement vide. Il contient une distribution éparse de gaz (principalement l'élément le plus simple, l'hydrogène) mélangée à de minuscules particules solides que nous appelons poussière interstellaire. Ce gaz et cette poussière s'accumulent dans d'énormes nuages à de nombreux endroits de la Galaxie, devenant ainsi la matière première des générations futures d'étoiles. La figure\(\PageIndex{5}\) montre une image du disque de la Galaxie vu de notre point de vue.
En général, le matériau interstellaire est si clairsemé que l'espace entre les étoiles constitue un bien meilleur vide que tout ce que nous pouvons produire dans les laboratoires terrestres. Pourtant, la poussière présente dans l'espace, qui s'accumule sur des milliers d'années-lumière, peut bloquer la lumière d'étoiles plus éloignées. Comme les bâtiments éloignés qui disparaissent de notre champ de vision lors d'une journée de smog à Los Angeles, les régions les plus éloignées de la Voie lactée ne sont pas visibles derrière les couches de smog interstellaire. Heureusement, les astronomes ont découvert que les étoiles et les matières premières brillent sous différentes formes de lumière, dont certaines pénètrent dans le smog. Nous avons donc pu développer une assez bonne carte de la Galaxie.
Des observations récentes ont toutefois également révélé un fait assez surprenant et inquiétant. Il semble y avoir plus, beaucoup plus, dans la Galaxie qu'il n'y paraît (ou qu'il n'y paraît dans le télescope). Diverses recherches nous ont montré qu'une grande partie de notre Galaxie est constituée de matériaux que nous ne pouvons actuellement pas observer directement avec nos instruments. C'est pourquoi nous appelons cette composante de la Galaxie matière noire. Nous savons que la matière noire est présente grâce à l'attraction que sa gravité exerce sur les étoiles et sur la matière première que nous pouvons observer, mais la composition de cette matière noire et sa quantité demeurent un mystère. De plus, cette matière noire n'est pas limitée à notre Galaxie ; elle semble également constituer une partie importante d'autres groupes d'étoiles.
D'ailleurs, toutes les étoiles ne vivent pas seules, comme le Soleil. Beaucoup sont nés dans des systèmes doubles ou triples avec deux, trois étoiles ou plus qui tournent les unes autour des autres. Comme les étoiles s'influencent mutuellement dans des systèmes si proches, plusieurs étoiles nous permettent de mesurer des caractéristiques que nous ne pouvons pas discerner en observant une seule étoile. À de nombreux endroits, suffisamment d'étoiles se sont formées ensemble pour que nous les reconnaissions comme des amas d'étoiles (Figure\(\PageIndex{6}\)). Certains des plus grands amas d'étoiles catalogués par les astronomes contiennent des centaines de milliers d'étoiles et occupent des volumes d'espace de plusieurs centaines d'années-lumière.
Vous pouvez entendre des étoiles qualifiées d' « éternelles », mais en fait, aucune étoile ne peut durer éternellement. Puisque le « business » des étoiles est de produire de l'énergie et que la production d'énergie nécessite une sorte de combustible pour être consommée, toutes les étoiles finissent par manquer de combustible. Cette nouvelle ne doit cependant pas vous faire paniquer, car notre Soleil a encore au moins 5 ou 6 milliards d'années à écouler. En fin de compte, le Soleil et toutes les étoiles vont mourir, et c'est dans leur agonie que se dévoilent certains des processus les plus intrigants et les plus importants de l'univers. Par exemple, nous savons maintenant que de nombreux atomes de notre corps se trouvaient autrefois à l'intérieur des étoiles. Ces étoiles ont explosé à la fin de leur vie, recyclant leur matière dans le réservoir de la Galaxie. En ce sens, nous sommes tous littéralement faits de « poussière d'étoile » recyclée.