19.1 : Unités fondamentales de distance
- Page ID
- 191976
Objectifs d'apprentissage
À la fin de cette section, vous serez en mesure de :
- Comprendre l'importance de définir une unité de distance standard
- Expliquer comment le compteur a été défini à l'origine et comment il a évolué au fil du temps
- Discutez de la façon dont le radar est utilisé pour mesurer les distances par rapport aux autres membres du système solaire
Les premières mesures des distances étaient basées sur les dimensions humaines : le pouce comme la distance entre les doigts, ou la cour comme la distance entre l'index étendu et le nez du roi britannique. Plus tard, les exigences du commerce ont conduit à une certaine standardisation de ces unités, mais chaque pays a eu tendance à établir ses propres définitions. Ce n'est qu'au milieu du XVIIIe siècle que des efforts réels ont été déployés pour établir un ensemble uniforme de normes internationales.
Le système métrique
L'un des héritages durables de l'époque de l'empereur français Napoléon est l'établissement du système métrique d'unités, officiellement adopté en France en 1799 et aujourd'hui utilisé dans la plupart des pays du monde. L'unité métrique fondamentale de longueur est le mètre, défini à l'origine comme le dix millionième de la distance le long de la surface de la Terre entre l'équateur et le pôle. Les astronomes français des XVIIe et XVIIIe siècles ont été des pionniers dans la détermination des dimensions de la Terre. Il était donc logique d'utiliser leurs informations comme base du nouveau système.
Une définition exprimée en termes de taille de la Terre pose des problèmes pratiques, car on ne peut guère s'attendre à ce que quiconque souhaite déterminer la distance d'un endroit à un autre sorte et remesure la planète. C'est pourquoi un compteur standard intermédiaire composé d'une barre de métal platine-iridium a été installé à Paris. En 1889, en vertu d'un accord international, cette barre a été définie comme mesurant exactement un mètre de long, et des copies précises de la barre de mesure d'origine ont été fabriquées pour servir de normes aux autres pays.
Les autres unités de longueur sont dérivées du mètre. Ainsi, 1 kilomètre (km) équivaut à 1000 mètres, 1 centimètre (cm) équivaut à 1/100 mètre, et ainsi de suite. Même les anciennes unités britanniques et américaines, telles que le pouce et le mile, sont désormais définies en termes de système métrique.
Redéfinitions modernes du compteur
En 1960, la définition officielle du compteur a de nouveau été modifiée. À la suite de l'amélioration de la technologie permettant de générer des raies spectrales de longueurs d'onde connues avec précision (voir le chapitre sur le rayonnement et les spectres), le compteur a été redéfini pour correspondre à 1 650 763,73 longueurs d'onde d'une transition atomique particulière dans l'élément krypton-86. L'avantage de cette redéfinition est que toute personne disposant d'un laboratoire convenablement équipé peut reproduire un compteur standard, sans référence à une barre métallique particulière.
En 1983, le compteur a été défini une fois de plus, cette fois en termes de vitesse de la lumière. La lumière dans le vide peut parcourir une distance d'un mètre en 1/299 792 458,6 seconde. Aujourd'hui, le temps de trajet léger constitue donc notre unité de base de longueur. En d'autres termes, une distance d'une seconde-lumière (la quantité de lumière spatiale parcourue en une seconde) est définie comme étant de 299 792 458,6 mètres. C'est presque 300 millions de mètres que la lumière couvre en une seconde ; la lumière est vraiment très rapide ! Nous pourrions tout aussi bien utiliser la seconde-lumière comme unité fondamentale de longueur, mais pour des raisons pratiques (et pour respecter la tradition), nous avons défini le compteur comme une petite fraction de la seconde-lumière.
Distance au sein du système solaire
Les travaux de Copernic et Kepler ont établi les distances relatives des planètes, c'est-à-dire la distance entre une planète et le Soleil (voir Observation du ciel : naissance de l'astronomie, des orbites et de la gravité). Mais leurs travaux n'ont pas permis d'établir les distances absolues (en secondes-lumière, en mètres ou en autres unités de longueur standard). Cela revient à connaître la taille de tous les élèves de votre classe uniquement par rapport à la taille de votre professeur d'astronomie, mais pas en pouces ou en centimètres. La taille d'une personne doit être mesurée directement.
De même, pour établir des distances absolues, les astronomes devaient mesurer directement une distance dans le système solaire. En général, plus l'objet est proche de nous, plus une telle mesure serait facile. Les estimations de la distance jusqu'à Vénus ont été effectuées lorsque Vénus a traversé la face du Soleil en 1761 et 1769, et une campagne internationale a été organisée pour estimer la distance jusqu'à l'astéroïde Éros au début des années 1930, lorsque son orbite l'a rapproché de la Terre. Plus récemment, Vénus a traversé (ou a traversé) la surface du Soleil en 2004 et 2012, ce qui nous a permis de faire une estimation moderne de la distance, même si, comme nous le verrons ci-dessous, cela n'était pas nécessaire à ce moment-là (Figure\(\PageIndex{1}\)).
Si vous souhaitez plus d'informations sur la façon dont le mouvement de Vénus à travers le Soleil nous a aidés à déterminer les distances dans le système solaire, vous pouvez vous tourner vers une explication intéressante fournie par un astronome de la NASA.
La clé de notre détermination moderne des dimensions du système solaire est le radar, un type d'onde radio qui peut rebondir sur des objets solides (Figure\(\PageIndex{2}\)). Comme indiqué dans plusieurs chapitres précédents, en chronométrant le temps qu'un faisceau radar (se déplaçant à la vitesse de la lumière) met pour atteindre un autre monde et en revenir, nous pouvons mesurer la distance à parcourir avec une grande précision. En 1961, des signaux radar ont été émis par Vénus pour la première fois, fournissant une mesure directe de la distance entre la Terre et Vénus en termes de secondes-lumière (à partir du temps de trajet aller-retour du signal radar).
Par la suite, le radar a été utilisé pour déterminer les distances jusqu'à Mercure, Mars, les satellites de Jupiter, les anneaux de Saturne et plusieurs astéroïdes. Notez d'ailleurs qu'il n'est pas possible d'utiliser le radar pour mesurer directement la distance par rapport au Soleil parce que le soleil ne réfléchit pas le radar de manière très efficace. Mais nous pouvons mesurer la distance par rapport à de nombreux autres objets du système solaire et utiliser les lois de Kepler pour nous donner la distance par rapport au Soleil.
Parmi les différentes distances (connexes) du système solaire, les astronomes ont choisi la distance moyenne entre la Terre et le Soleil comme « indicateur de mesure » standard au sein du système solaire. Lorsque la Terre et le Soleil sont les plus proches, ils sont distants d'environ 147,1 millions de kilomètres ; lorsque la Terre et le Soleil sont les plus éloignés, ils sont distants d'environ 152,1 millions de kilomètres. La moyenne de ces deux distances est appelée unité astronomique (UA). Nous exprimons ensuite toutes les autres distances du système solaire en termes d'UA. Des années d'analyses minutieuses des mesures radar ont permis de déterminer la longueur de l'UA avec une précision d'environ une partie sur un milliard. La longueur d'une UA peut être exprimée en temps de trajet dans la lumière sous la forme de 499 004854 secondes-lumière, soit environ 8,3 minutes-lumière. Si nous utilisons la définition du compteur donnée précédemment, cela équivaut à 1 UA = 149 597 870 700 mètres.
Ces distances sont, bien entendu, données ici avec un niveau de précision bien supérieur à ce qui est normalement nécessaire. Dans ce texte, nous nous contentons généralement d'exprimer des chiffres à quelques endroits significatifs et d'en rester là. Pour nos besoins, il suffira d'arrondir ces chiffres :
\[ \begin{array}{l} \text{speed of light: } c=3 \times 10^8 \text{ m/s }= 3 \times 10^5 \text{ km/s} \\ \text{ length of light-second: ls}=3 \times 10^8 \text{ m }= 3×10^5 \text{ km } \\ \text{ astronomical unit: AU} =1.50×10^{11} \text{ m } =1.50 \times 10^8 \text{ km } =500 \text{ light-seconds} \end{array} \nonumber\]
Nous connaissons maintenant l'échelle de distance absolue au sein de notre propre système solaire avec une précision fantastique. Il s'agit du premier maillon de la chaîne des distances cosmiques.
Les distances entre les corps célestes de notre système solaire sont parfois difficiles à saisir ou à mettre en perspective. Ce site Web interactif fournit une « carte » qui montre les distances à l'aide d'une échelle en bas de l'écran et vous permet de faire défiler (à l'aide des touches fléchées) les écrans d' « espace vide » pour accéder à la planète suivante, tout en gardant votre distance actuelle par rapport au Soleil visible sur l'échelle.
Concepts clés et résumé
Les premières mesures de longueur étaient basées sur les dimensions humaines, mais aujourd'hui, nous utilisons des normes mondiales qui spécifient les longueurs en unités telles que le mètre. Les distances à l'intérieur du système solaire sont désormais déterminées en chronométrant le temps nécessaire aux signaux radar pour se déplacer de la Terre à la surface d'une planète ou d'un autre corps, puis en revenir.