Préambule (2/2)

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 de distances que vous rencontrerez tout au long du texte. Nous commençons chez nous avec la Terre, une planète presque sphérique d’environ 13 000 kilomètres de diamètre (figure 1.6). Un voyageur de l’espace entrant 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 deux tiers de sa croûte. Si le voyageur disposait d’un équipement lui permettant de recevoir des signaux de radio ou de télévision, ou s’il s’approchait suffisamment pour voir les lumières de nos villes la nuit, il trouverait rapidement des signes indiquant que cette planète aqueuse est dotée d’une vie consciente.

Notre voisin astronomique le plus proche est le satellite de la Terre, communément appelé la Lune. La figure 1.7 montre la Terre et la Lune dessinées à l’échelle sur le même schéma. Remarquez à quel point nous devons réduire la taille de ces corps pour les faire tenir sur la page à la bonne échelle. La distance entre la Lune et la Terre est d’environ 30 fois le diamètre de la Terre, soit environ 384 000 kilomètres, et il faut environ un mois à la Lune pour tourner 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 les ondes radio) met 1,3 seconde à voyager entre la Terre et la Lune. Si vous avez vu les vidéos des vols Apollo vers la Lune, vous vous souvenez peut-être qu’il y avait un délai d’environ 3 secondes entre le moment où le centre de contrôle de la mission posait une question et le moment où les astronautes répondaient. Ce n’était pas parce que les astronautes réfléchissaient lentement, mais plutôt parce que les ondes radio mettaient près de 3 secondes 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 Terre-Soleil une unité astronomique (UA) car, aux débuts de l’astronomie, c’était l’étalon de mesure le plus important. La lumière met un peu plus de 8 minutes à 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 se loger confortablement à l’intérieur de 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 à environ 30 mètres du ballon.

Il faut à la Terre 1 an (3 × 10⁷ secondes) pour faire le tour du Soleil à notre distance ; pour faire ce tour, nous devons voyager à environ 110 000 kilomètres par heure.

Étant donné que la gravité nous retient fermement à la Terre et qu’il n’existe aucune résistance au mouvement de la Terre dans le vide de l’espace, nous participons à ce voyage extrêmement rapide sans en être conscients 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 des essaims de corps plus petits comme les planètes naines, constituent le système solaire (figure 1.8). 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 grand corps produit systématiquement sa propre lumière, on l’appelle alors une étoile. Plus tard dans le livre, cette définition sera quelque peu modifiée, mais elle convient parfaitement pour l’instant, alors que vous commencez votre voyage.

Nous sommes en mesure de voir les planètes proches dans notre ciel uniquement parce qu’elles reflètent la lumière de notre étoile locale, le Soleil. Si les planètes étaient beaucoup plus éloignées, l’infime quantité de lumière qu’elles reflètent ne serait généralement pas visible pour nous. Les planètes en orbite autour d’autres étoiles que nous avons découvertes jusqu’à présent l’ont été grâce à l’attraction qu’elles exercent sur leur étoile mère ou à la lumière qu’elles bloquent lorsqu’elles passent devant leur étoile. Nous ne pouvons pas voir la plupart de ces planètes directement, bien que quelques-unes fassent actuellement l’objet d’une imagerie directe.

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 en leur sein. Nous aborderons plus en détail les processus qui font briller les étoiles plus loin dans ce livre. Les autres étoiles semblent faibles uniquement parce qu’elles sont très éloignées. Si nous poursuivons notre analogie avec le ballon de basket, Proxima Centauri, l’étoile la plus proche du Soleil, située à 4,3 années-lumière, se trouverait à près de 7 000 kilomètres du ballon de basket.

Le Soleil est l’une des centaines de milliards d’étoiles qui composent la galaxie ; son étendue, comme nous allons le voir, dépasse l’imagination humaine. Dans une sphère de 10 années-lumière de rayon centrée sur le Soleil, on trouve environ dix étoiles. Dans une sphère de 100 années-lumière de rayon, il y a environ 10 000 (10⁴) étoiles - beaucoup trop pour les compter ou les nommer - mais nous n’avons encore traversé qu’une infime partie de la Voie lactée. Dans une sphère de 1 000 années-lumière, nous trouvons quelque dix millions (10⁷) d’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, il ressemblerait probablement à la galaxie de la figure 1.9, avec sa structure en spirale soulignée par la lumière bleue des étoiles adolescentes chaudes.

Le Soleil se trouve à un peu moins de 30 000 années-lumière du centre de la Galaxie, à un endroit où il n’y a pas grand-chose qui le distingue. Depuis 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) mélangé à de minuscules particules solides que nous appelons poussière interstellaire. Ce gaz et cette poussière s’accumulent en d’énormes nuages en de nombreux endroits de la Galaxie, devenant la matière première des futures générations d’étoiles. La figure 1.10 montre une image du disque de la Galaxie tel qu’il est vu depuis notre point d’observation.

En général, la matière interstellaire est si peu dense que l’espace entre les étoiles est un bien meilleur vide que tout ce que nous pouvons produire dans les laboratoires terrestres. Pourtant, la poussière de l’espace, qui s’accumule sur des milliers d’années-lumière, peut bloquer la lumière d’étoiles plus lointaines. À l’instar des immeubles lointains qui disparaissent de notre vue par 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 de diverses formes de lumière, dont certaines pénètrent le brouillard, et nous avons ainsi pu dresser une assez bonne carte de la Galaxie.

Cependant, des observations récentes ont également révélé un fait plutôt surprenant et inquiétant. Il semble qu’il y ait plus - beaucoup plus - dans la Galaxie que ce que l’on peut voir à l’œil (ou au télescope). Grâce à diverses recherches, nous avons la preuve qu’une grande partie de notre Galaxie est constituée de matériaux que nous ne pouvons actuellement pas observer directement avec nos instruments. Nous appelons donc cette composante de la Galaxie la matière noire. Nous savons que la matière noire est présente grâce à l’attraction qu’elle exerce sur les étoiles et la matière brute que nous pouvons observer, mais la composition et la quantité de cette matière noire restent un mystère. En outre, cette matière noire n’est pas confinée à notre galaxie ; elle semble également constituer un élément important d’autres groupes d’étoiles.

D’ailleurs, toutes les étoiles ne vivent pas seules, comme le Soleil. Beaucoup sont nées dans des systèmes doubles ou triples, avec deux, trois ou plus d’étoiles tournant les unes autour des autres. Comme les étoiles s’influencent mutuellement dans des systèmes aussi proches, les étoiles multiples nous permettent de mesurer des caractéristiques que nous ne pouvons pas discerner en observant des étoiles individuelles. Dans un certain nombre d’endroits, suffisamment d’étoiles se sont formées ensemble pour que nous les reconnaissions comme des amas d’étoiles (figure 1.11). 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 entendrez peut-être dire que les étoiles sont "éternelles", mais en fait, aucune étoile ne peut durer éternellement. Puisque le "métier" des étoiles est de produire de l’énergie, et que la production d’énergie nécessite d’utiliser un combustible, 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 devant lui. Le Soleil et toutes les étoiles finiront par mourir, et c’est au cours de leur agonie que sont révélés 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 étaient autrefois à l’intérieur d’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 constitués de "poussière d’étoile" recyclée.

Dans un sens très approximatif, vous pourriez considérer le système solaire comme votre maison ou votre appartement et la galaxie comme votre ville, composée de nombreuses maisons et bâtiments. Au XXe siècle, les astronomes ont pu montrer que, tout comme notre monde est composé de très nombreuses villes, l’univers est composé d’un nombre énorme de galaxies.

Les galaxies s’étendent aussi loin dans l’espace que nos télescopes peuvent voir, plusieurs milliards d’entre elles étant à la portée des instruments modernes. Lorsqu’elles ont été découvertes pour la première fois, certains astronomes ont appelé les galaxies des univers insulaires, et ce terme est tout à fait approprié ; les galaxies ressemblent en effet à des îles d’étoiles dans les vastes mers sombres de l’espace intergalactique.

La galaxie la plus proche, découverte en 1993, est une petite galaxie située à 70 000 années-lumière du Soleil, dans la direction de la constellation du Sagittaire, où le brouillard de notre propre galaxie la rend particulièrement difficile à discerner.

Au-delà de cette galaxie naine du Sagittaire se trouvent deux autres petites galaxies, distantes d’environ 160 000 années-lumière. Enregistrées pour la première fois par l’équipage de Magellan lors de son tour du monde, elles sont appelées les Nuages de Magellan (figure 1.12). Ces trois petites galaxies sont des satellites de la Voie lactée et interagissent avec elle par la force de gravité. Au final, elles pourraient même être avalées par notre galaxie, beaucoup plus grande, comme d’autres petites galaxies l’ont été au cours des temps cosmiques.

La grande galaxie la plus proche est une spirale assez semblable à la nôtre, située dans la constellation d’Andromède, et est donc appelée galaxie d’Andromède ; elle est également connue par l’un de ses numéros de catalogue, M31 (figure 1.13). M31 se trouve à un peu plus de 2 millions d’années-lumière et fait partie, avec la Voie lactée, d’un petit groupe de plus de 50 galaxies appelé le Groupe local.

A des distances de 10 à 15 millions d’années-lumière, nous trouvons d’autres petits groupes de galaxies, puis à environ 50 millions d’années-lumière, des systèmes plus impressionnants avec des milliers de galaxies membres. Nous avons découvert que les galaxies se trouvent principalement dans des amas, grands et petits (figure 1.14).

Certains de ces amas forment eux-mêmes des groupes plus importants appelés superamas. Le Groupe local fait partie d’un superamas de galaxies, appelé Superamas de la Vierge, qui s’étend sur un diamètre de 110 millions d’années-lumière. Nous commençons tout juste à explorer la structure de l’univers à ces énormes échelles et nous faisons déjà des découvertes inattendues.

À des distances encore plus grandes, là où de nombreuses galaxies ordinaires sont trop faibles pour être vues, nous trouvons les quasars. Il s’agit de centres brillants de galaxies, qui brillent de la lumière d’un processus extraordinairement énergique. L’énorme énergie des quasars est produite par des gaz chauffés à une température de plusieurs millions de degrés lorsqu’ils tombent vers un trou noir massif et tourbillonnent autour de lui. La brillance des quasars en fait les balises les plus lointaines que nous pouvons voir dans les océans sombres de l’espace. Ils nous permettent de sonder l’univers à 10 milliards d’années-lumière ou plus, et donc 10 milliards d’années ou plus dans le passé.

Grâce aux quasars, nous pouvons remonter jusqu’à l’explosion du Big Bang qui marque le début des temps. Au-delà des quasars et des galaxies visibles les plus lointaines, nous avons détecté la faible lueur de l’explosion elle-même, qui remplit l’univers et nous parvient donc de toutes les directions de l’espace. La découverte de cette "lueur de la création" est considérée comme l’un des événements les plus importants de la science du XXe siècle, et nous continuons à explorer les nombreuses choses qu’elle peut nous apprendre sur les premiers temps de l’univers.

La mesure des propriétés des galaxies et des quasars dans des endroits éloignés nécessite de grands télescopes, des dispositifs sophistiqués d’amplification de la lumière et un travail minutieux. Chaque nuit claire, dans des observatoires du monde entier, des astronomes et des étudiants travaillent sur des mystères tels que la naissance de nouvelles étoiles et la structure à grande échelle de l’univers, intégrant leurs résultats dans la trame de notre compréhension.

La discussion qui précède vous a probablement fait comprendre que l’univers est extraordinairement grand et extraordinairement vide. En moyenne, il est 10 000 fois plus vide que notre Galaxie. Pourtant, comme nous l’avons vu, même la Galaxie est essentiellement un espace vide. L’air que nous respirons contient environ 1019 atomes par centimètre cube et nous considérons généralement l’air comme un espace vide. Dans le gaz interstellaire de la Galaxie, il y a environ un atome par centimètre cube. L’espace intergalactique est si peu rempli que pour trouver un atome, il faut en moyenne parcourir un mètre cube d’espace. La majeure partie de l’univers est fantastiquement vide ; les endroits qui sont denses, comme le corps humain, sont extrêmement rares.

Même nos solides les plus familiers sont essentiellement constitués d’espace. Si nous pouvions démonter un tel solide, morceau par morceau, nous finirions par atteindre les minuscules molécules dont il est constitué. Les molécules sont les plus petites particules en lesquelles toute matière peut être divisée tout en conservant ses propriétés chimiques. Une molécule d’eau (H2O), par exemple, est constituée de deux atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène liés ensemble.

Les molécules, quant à elles, sont constituées d’atomes, qui sont les plus petites particules d’un élément qui peuvent encore être identifiées comme cet élément. Par exemple, un atome d’or est le plus petit morceau d’or possible. Près de 100 types différents d’atomes (éléments) existent dans la nature. La plupart d’entre eux sont rares, et seuls quelques-uns représentent plus de 99 % de tout ce avec quoi nous entrons en contact. Les éléments les plus abondants dans le cosmos aujourd’hui sont répertoriés dans le tableau 1.1 ; considérez ce tableau comme les "grands succès" de l’univers en matière d’éléments. Notez que la liste comprend les quatre éléments les plus courants dans la vie sur Terre : l’hydrogène, le carbone, l’azote et l’oxygène.

Tous les atomes sont constitués d’un noyau central, chargé positivement, entouré d’électrons chargés négativement. La majeure partie de la matière de chaque atome se trouve dans le noyau, qui est constitué de protons positifs et de neutrons électriquement neutres, tous étroitement liés les uns aux autres dans un espace très réduit. Chaque élément est défini par le nombre de protons dans ses atomes. Ainsi, tout atome ayant 6 protons dans son noyau s’appelle carbone, tout atome ayant 50 protons s’appelle étain, et tout atome ayant 70 protons s’appelle ytterbium.

La distance entre un noyau atomique et ses électrons est généralement 100 000 fois supérieure à la taille du noyau lui-même. C’est pourquoi nous disons que même la matière solide est principalement de l’espace. L’atome typique est bien plus vide que le système solaire jusqu’à Neptune. La distance entre la Terre et le Soleil, par exemple, n’est que de 100 fois la taille du Soleil. C’est l’une des raisons pour lesquelles les atomes ne ressemblent pas à des systèmes solaires miniatures.

Fait remarquable, les physiciens ont découvert que tout ce qui se passe dans l’univers, du plus petit noyau atomique aux plus grands superamas de galaxies, peut être expliqué par l’action de quatre forces seulement : la gravité, l’électromagnétisme (qui combine les actions de l’électricité et du magnétisme) et deux forces qui agissent au niveau nucléaire. Le fait qu’il y ait quatre forces (et non un million, ou une seule) a intrigué les physiciens et les astronomes pendant de nombreuses années et a conduit à la recherche d’une image unifiée de la nature.