L'Univers en 100 questions - Jean-Pierre Luminet

"L'Univers en 100 questions" de Jean-Pierre Luminet permet aux néophytes de mieux comprendre notre habitat et ce qui l'entoure.

Pour faire court disons simplement qu'en 100 questions vous aurez des réponses assez claires, ainsi l'auteur a réellement réalisé un travail de vulgarisation scientifique, tout en faisant comprendre au lecteur que l'astrophysique reste un domaine complexe pour lequel de nombreuses données restent toujours inconnues à ce jour.

Si le public peut comprendre que les investissements dans le domaine spatial ont du sens alors ce livre y aura contribué grandement. Vous pouvez vous arrêter de lire ici, les plus curieux d'entre-vous pourront continuer. J'ai pris des notes en parcourant ce livre selon mes propres centres d'intérêt, elles figurent ci-après en seize points.

1. Où s’arrète le système solaire ?

Voici quelques distances issues d'un raisonnement par analogie:
Soleil = 1 bille de 1cm de diamètre ;
Terre = grain de sable tournant à 1 m de distance ;
Pluton = 1 poussière à 40 m de distance ;
Ceinture de Kuiper : 55 m ;
Héliosphère : 100 m = frontière du système solaire ;
Nuage de Oort (vestige d’une nébuleuse présolaire d’où sont nés le Soleil et les planètes) : 100 Km (en réalité 10.000 milliards de Km de la Terre, soit à 1 année lumière) ;
Proxima du Centaure : 400 km (une bille de 1 cm de diamètre).

1977 : lancement de Voyager 1, qui se situe à 19 milliards de km de la Terre donc Voyager 1 n’a pas encore quitté le système solaire.

2. La théorie du rajeunissement en voyageant plus vite est-elle plausible ?

Si je fais un aller-retour à la vitesse de la lumière, est-ce que je rajeunis ?
Non : mon frère jumeau a vieilli de 40 ans en restant sur Terre tandis que j’ai vieilli de 5 ans.
Cette théorie est donc fausse, je ne rajeunis pas mais je vieillis moins vite.

3. Quand le Soleil va-t-il mourir ?

Depuis 4,5 milliards d’années le Soleil brûle son propre carburant : l’hydrogène (en le transformant en hélium), cela durera à peu près encore autant d’années . Dans une première phase, lorsqu’il aura épuisé son combustible, il se mettra à enfler. Il atteindra d’abord 200 fois sa taille actuelle dévorant Mercure et Vénus. Il s’arrêtera de gonfler au niveau de l’orbite terrestre mais notre planète n’aura alors plus d’océan ni de trace de vie, ce sera une boule de roches en fusion à 2000 °C.
Dans une seconde phase, le Soleil va s’échauffer à 100 millions de degrés, libérant une énergie nouvelle issue de la fusion de l’hélium en carbone. Il s’étendra alors jusqu’à l’orbite de Mars. Puis l’hélium sera aussi épuisé, le cœur du Soleil deviendra une « naine blanche » (un résidu stellaire ayant la dimension d’une planète mais la masse d’une étoile) devenant 10 milliards d’années plus tard une « naine noire ».

4. La mort d’une étoile

Plus une étoile est massive plus vite l’hydrogène s’épuise , c’est la phase de « géante rouge ». Puis c’est l’hélium dont la combustion va s’achever. C’est la taille de l’astre qui va déterminer son destin :
• Masse < 0,08 masse solaire --> l’étoile devient une « naine brune », c.-à-d. une sorte d’ « étoile ratée » où la combustion de l’hydrogène ne se fait pas faute de température suffisante.
• Masse < 8 masses solaires (90% des étoiles sont dans ce cas) --> « naine blanche » et l’enveloppe de l’astre devient une « nébuleuse planétaire ».
• Masse entre 8 et 40 masses solaires (9,9% des étoiles) --> l’étoile devient une « supernova ». Le cœur subsiste et porte le nom d’ « étoile à neutrons », la matière éjectée étant un « reste de supernova ». Une toile ayant une masse min de 8 masses solaires porte le nom d’ « étoile massive ». Les Chinois ont découvert en 1.054 une supernova dont les débris forment la nébuleuse du crabe. A son maximum d’éclat elle brillait en plein jour.
• Masse > 40 masses solaires (1 étoile sur 1.000) --> l’étoile devient une « hypernova » et son cœur devient un « trou noir ». Les plus grosses étoiles ont 120 masses solaires, au-delà elles seraient instables et ne pourraient pas subsister.

5. La couleur des étoiles

La couleur d'une étoile s'explique par la classification spectrale que l’on peut retenir par un bon moyen mnémotechnique : « Oh Be A Fine Girl, Kiss Me !» = OBAFGKM. Ainsi, les étoiles de type O (les plus chaudes avec une température de surface de 50.000 C°) sont très bleues tandis que celles de type M (les plus froides) sont rouges sombre (température de 2.500 C°).

Vega et Altaïr appartiennent à la classe A (température de 12.000 C°), le Soleil est de type G (température de seulement 6.000 C°).

6. Le trou noir

Une fois entré dans un trou noir, il est impossible d’en ressortir. Tout évènement dans un trou noir est inobservable à l’extérieur de celui-ci . Il existe un trou noir massif (plusieurs millions de masses solaires) dans notre galaxie, la Voie Lactée . C’est Oppenheimer (le père de la bombe atomique) qui en 1939 démontre mathématiquement le fait que les trous noirs sont des pièges à matière et à lumière.

Quelle est l’origine d’un trou noir ? On estime que les étoiles plus massives que 40 masses solaires doivent à terme engendrer un trou noir . Un trou noir est indétectable sauf par le rayonnement électromagnétique de la matière qui y tombe . Le plus gros trou noir massif (avec une masse de 17 milliards de masses solaires) se situe dans la galaxie NGC 1277 à 220 millions d’années lumières dans la Constellation de Persée . En cas de fusion de deux trous noirs la taille obtenue est plus grande que celle des deux parents.

Selon la théorie de la relativité générale, un vaisseau spatial qui irait au fond d’un trou noir, fond disparaissant se transformant en trou de ver (wormhole) ne serait pas bloqué mais pourrait ressortir ailleurs dans l’univers, y compris dans le passé. Ces trous de vers seraient pour les auteurs de science-fiction des « raccourcis » ou des « portes » autorisant le voyage de distances normalement impossibles à atteindre autrement (vu la limite de vitesse imposée par la lumière, la vitesse maximum théorique étant celle de la lumière, la vitesse superluminique n’existerait pas). Cela ne correspond pas à la réalité physique car un trou de ver est hautement instable et se boucherait à la moindre perturbation.

7. Les galaxies

Il y en aurait 1.000 milliards dans l’Univers observable, chaque galaxie comprenant 100 milliards d’étoiles en moyenne, du gaz (30% de la masse de la galaxie) et des poussières interstellaires « L’amas de la Vierge » est un groupe de 2.000 galaxies , il est lui-même intégré dans « le super-amas de la Vierge » qui comporte 10.000 galaxies. Les superamas ne se regroupent pas, l’échelle la plus élevée est le superamas.

On ne sait toujours pas si une galaxie se forme au départ de petits objets (étoiles ou amas d’étoiles) ou de grandes structures (galaxies ou amas de galaxies) se fragmentant en unités plus réduites . La galaxie d’Andromède (distante de 2 millions d’années-lumière de la Voie lactée rencontrera celle-ci dans 5 milliards d’années lorsque notre Soleil agonisera.

Les quasars sont les objets les plus lumineux que la nature ait formés. Quasar est une contraction de « quasi star », ils ont été découverts dans les années 60. Ils ressemblent à des étoiles.

8. L’Univers

Il daterait de 13,8 milliards d’années , ce serait son âge cosmologique. L’âge astronomique serait de 14 milliards d’années. On ne sait pas si l’univers est fini ou non mais s’il est fini, alors il n’a pas de bord (la géométrie non euclidienne et la topologie permettent de créer des modèles d’univers fini sans bords, voir par exemple « l’espace dodécaédrique » de Poincaré) exactement comme les jeux vidéo dans lesquels les personnages ne peuvent pas quitter l’écran, ainsi un vaisseau peut revenir à son point de départ sans jamais avoir fait demi-tour.

L’Univers est majoritairement composé de matière et non d’antimatière. Il n’y a qu’une seule antiparticule (qui a la même masse que la particule mais une charge électrique opposée, négative) pour un milliard de particules dans l’Univers. Lors du Big Bang matière et antimatière se sont mutuellement annihilées en entrant en contact mais il subsista malgré tout plus de matière autorisant in fine la création de l’Univers, il n’existe pas de galaxie composée d’antimatière.

9. Pourquoi la nuit est-elle noire ?

La nuit est noire car c’est lié à la notion de « finitude du temps » dixit l’écrivain Edgar Allan Poe en 1848, le temps est fini, observer loin dans l’espace équivaut à regarder loin dans le passé. En effet pour reçevoir la lumière d’une étoile il faut que cette lumière ait eu le temps de nous atteindre or il n’y avait aucune étoile au-delà de 14 milliards d’années, par conséquent il existe une frontière spatiale au-delà de laquelle aucune lumière ne peut nous parvenir.

10. Le Big Bang

Le Big Bang est le début de l’expansion de l’univers, le terme fut inventé par Fred Hoyle en 1950. Lors de la création de l’Univers, on pense de nos jours que temps, espace, matière et énergie étaient mêlés. L’Univers se serait « spontanément » créé à partir d’une fluctuation quantique de l’énergie du vide. L’Univers ne se réduit pas à de l’espace mais à de l’espace-temps.

La matière noire existe bien qu’invisible, elle manque juste dans le bilan lumineux. Il y a min 10 fois plus de matière noire (issue de la poussière interstellaire, des cadavres d’étoiles tels que les naines noires, les étoiles à neutrons et les trous noirs, voire issue des naines brunes ) que de matière lumineuse dans l’Univers. La matière noire se présenterait sous la forme de grands nuages froids d’hydrogène, mais son existence est contestée par certains physiciens.

Traditionnellement il n’y a pas eu d’avant Big Bang car le temps s’est créé simultanément avec l’espace, la matière et l’énergie.

L’Univers a émis sa première lumière 380.000 ans après sa supposée naissance.
99% de la matière atomique de l’Univers est composé de lithium, d’hélium et d’hydrogène . L’Univers comprend 4% de matière atomique ordinaire, 28% de matière noire non atomique (attractive car provoquant des effets gravitationnels) et 68% d’énergie sombre (répulsive). Certains physiciens considèrent que cette énergie répulsive produite par l’énergie sombre proviendrait du vide quantique (ce dernier est caractérisé par une énergie à son niveau fondamental c.-à-d. à son niveau le plus bas possible mais non nul).

11. La vie sur Terre

Elle est apparue il y a 3,8 milliards d’années via les premiers organismes monocellulaires appelés « procaryotes ». Ceux-ci se sont rassemblés dans les sources hydrothermales puis suite à la photosynthèse produite grace à la lumière solaire, les stromatolithes se sont formés il y a 4,4 milliards d’années. Puis les 1ers coquillages apparaissent il y a 500 millions d’années. 30 millions d’années plus tard apparaissent les poissons dotés d’arêtes puis la vie quitta enfin la mer. Il y eut les vers, les insectes, les reptiles, les dinosaures, les oiseaux puis les mamifères dont les hommes il y a 3 millions d’années.

12. La vie ailleurs que sur Terre

La vie extraterrestre est possible selon les physiciens mais cela requiert des prérequis : (1) planète ni trop chaude ni trop froide, elle ne gravite donc ni trop près ni trop loin de son étoile, (2) présence d’eau liquide à sa surface capable de produire des interactions chimiques, (3) planète enveloppée d’une atmosphère protectrice, (4) convergence d’autres facteurs encore mal compris voire inconnus (les trois facteurs précédemment énnoncés ne sont peut-être pas suffisants pour permettre l’éclosion de la vie).

Le nombre de civilisations extraterrestres avancées est déterminé par l’équation de Drake (astronome américain). L’équation comprend 7 termes :
1. Le nombre d’étoiles favorables à l’émergence de la vie qui se forment chaque année ;
2. Le pourcentage d’étoiles dotées d’un système planétaire ;
3. Le nombre de planètes d’un système donné pour lesquelles les conditions sont favorables à l’apparition de la vie ;
4. La fraction de ces planètes qui a vu naître la vie ;
5. La fraction de ces planètes sur lesquelles se sont développées une espèce intelligente et des civilisations ;
6. La fraction de ces civilisations qui cherchent à communiquer avec d’autres ;
7. La durée moyenne pendant laquelle une civilisation communique (à supposer que cette communication soit techniquement possible).
Les facteurs 4 à 7 nous sont totalement inconnus à ce jour. Selon certains le résultat de l’équation est 1, seule une seule civilisation est intelligente: la nôtre…

La communication directe par voyage spatial est impossible (il faudrait des dizaines de milliers d’années), mais par signaux électromagnétiques ce serait en théorie possible à supposer que l’on sache où écouter (direction et fréquence d’écoutes). Dans les années 60 le programme SETI (Search For Extra Terrestrial Intelligence) fut mis en place, il fallait explorer 100 milliards de canaux d’écoute. L’université de Berkeley a créé le programme informatique dénommé « SETI@Home » permettant aux milliers d’ordinateurs connectés à Internet d’analyser les données en tâche de fond donc de façon transparente pour l’utilisateur. Des amateurs ont même créés leur propre radiotéléscope SETI. Toutes ces expériences n’ont fourni aucun résultat à ce jour.

13. L’eau, un préalable à la vie extraterrestre sur Mars

Il y en aurait eu il y a 3,8 milliards d’années . L’eau aurait disparu suite à l’extinction des volcans (dispersant l’atmosphère de Mars dans l’espace) et suite au fait qu’elle se serait évaporée pour rester piégée dans les sols sous forme de calcaire. In fine l’eau aurait été congelée. S’il y a eut des bactéries c’est il y a plus de 3 milliards d’années car à cette époque les conditions nécessaires à leur apparition étaient réunies, mais tout cela n’est que supposition.

14. La vie extraterrestre dans notre système solaire ailleurs que sur Mars

Ganymède et Callisto, satellites de Jupiter abriteraient de l’eau liquide sous une épaisse couche de glace. Europe est dans le même cas mais son cœur reste chaud ainsi on envisage la possibilité de l’existence de bactéries vivantes (et non à l’état de fossiles comme sur Mars).

Encelade, Théthys et Dioné, satellites de Saturne possèderaient des volcans d’eau. Titan autre satellite de Saturne est considéré comme « Terre primitive au congélateur », « Terre primitive » car son atmosphère actuelle ressemble à s’y méprendre à celle de la Terre avant l’apparition de la vie (azote, méthane et ammoniac), « au congélateur » car il y fait -180 °C en permanence. Titan comporte des rivières de méthane, le méthane est sur Titan ce que l’eau est à la Terre. Certains chercheurs pensent que le milieu titanesque pourrait fournir des nutriments nécessaires à des bactéries productrices de méthane puisque Titan comporte de l’acétylène et de l’hydrogène.

15. La vie de l’homme ailleurs que sur Terre

Les conditions de vie sont inhabitables pour l’homme sauf s’il est muni d’équipements lourds et coûteux. L’atmosphère est quasi inexistante sur la Lune et sur Mercure, irrespirable sur Mars et il fait 450 °C à la surface de Vénus ! Seule une base humaine totalement close sous forme de bulle composée d’une atmosphère artificielle pourrait être une solution envisageable.

Certains scenari de science mais plutôt de science-fiction prévoient le changement des conditions de vie sur Mars par l’homme. Comment ? Dans un premier temps en chauffant la calotte polaire au moyen d’un immense miroir utilisant la lumière solaire permettant la fonte des glaces (eau, dioxyde de carbone, méthane) afin de créer un puissant gaz à effet de serre entraînant une élévation de la température et de la pression atmosphérique. En outre il faudrait introduire des micro-organismes tels que les lichens capables de créer de la photosyhthèse et donc de l’oxygène. On est à mi-chemin entre réalisme et utopie…

16. Les autres systèmes solaires

Une planète en orbite autour d’une étoile autre que le Soleil est une exoplanète ou une planète extrasolaire. Les exoplanètes ont commencé à être détectées dans les années 1990. Elles sont situées pour la plupart à moins de 400 années-lumière de la Terre. On en dénombrait 1771 en 2014. Lorsqu’une exoplanète ressemble à la Terre on parle d’exoterre. Il existerait 17 milliards de planètes de taille terrestre sur les 100 milliards qu’abrite notre propre galaxie.

Quant à savoir si les exoterres abritent de la vie, c’est une autre question ! Une galaxie comporte 200 milliards d’étoiles or il y a des centaines de milliards de galaxies dans l’Univers. Il devrait selon toute probabilité y avoir une planète, une exoterre qui ressemblerait « comme une goutte d’eau » à la Terre tournant autour de leur étoile semblable au Soleil, qui ne seraient ni trop près ni trop loin de leur étoile de manière à avoir une atmosphère et de l’eau à l’état liquide, puis faire le pari raisonnable que les ingrédients nécessaires à la vie existent (eau, chimie du carbone, énergie) et que sur base d’une « recette harmonieuse » utilisant ceux-ci, la vie puisse éclore. Mais il faut être prudent, la vie n’a été détectée que sur Terre, sommes-nous l’exception à la règle (l’absence de vie) ou la règle (la vie si celle-ci est détectée ailleurs que sur Terre ) ? De plus nous pourrions découvrir un jour que la vie peut apparaître et se développer durablement dans des milieux radicalement différents que ceux que nous connaissons sur Terre (donc sans eau par exemple).

Les exoplanètes se détectent par de multiples moyens techniques, l’usage de téléscopes de plus en plus performants fait partie de ces moyens (méthode des oscillations -perturbation de la dynamique de l’étoile par la planète- par astrométrie, méthode des transits -perte de luminosité de l’étoile, une sorte de mini-eclipse lorsque l’étoile passe devant elle-, méthode photométrique où l’on détecte directement la lumière de l’exoplanète elle-même). Des téléscopes terrestres ou spatiaux de plus de 30 mètres de diamètre comme l’ELT (Extremely Large Telescope) seront bien utiles.

Mes autres reportages Ardenneweb

Le programme SETI@Home