À la découverte de l'Univers
deboeck
Avant-proposXI
Au sujet de l'auteurXIX
Chapitre 1
À la découverte du ciel nocturne1
L'exploration du ciel nocturne
2
1.1 Le ciel nocturne est rempli des motifs2
1.2 Les constellations permettent de facilement localiser les étoiles3
1-3 La sphère céleste aide à se repérer dans le ciel5
1-4 Un système de coordonnées « alt »ernatif6
1-5 La Terre orbite autour du Soleil dans un plan nommé l'écliptique6
Cycles terrestres
8
1-6 La rotation de la Terre est responsable du cycle jour-nuit et sa révolution définit l'année8
Les saisons
10
1-7 Les saisons résultent de l'inclinaison de l'axe de rotation de la Terre et de la révolution de celle-ci autour du Soleil10
1-8 Les horloges et les calendriers sont basées sur la rotation propre et la révolution autour du Soleil de la Terre13
1-9 La précession est un mouvement circulaire lent de l'axe de rotation de la Terre14
Les phases de la lune
16
1-10 Les phases de la Lune ont inspiré le concept de mois16
Éclipses
18
1-11 Les éclipses ne se produisent pas lors de chaque nouvelle Lune ou de chaque pleine Lune18
1-12 Trois types d'éclipses de Lune peuvent se produire19
1-13 Trois types d'éclipses de Soleil peuvent aussi se produire20
L'univers à différentes échelles
21
1.14 Les distances astronomiques sont... astronomiques !23
Chapitre 2
La gravitation et le mouvement des planètes27
La science : une clef pour la compréhension de l'univers
28
2.1 La science est à la fois un ensemble de connaissances et l'étude de la nature28
Modification de la vision géocentrique de l'univers
30
2.2 La cosmologie centrée sur le Soleil se construisit lentement30
Découverte 2-1 L'Univers géocentrique32
2.3 Copernic proposa le premier modèle cosmologique héliocentrique complet32
2-4 Tycho Brahe fit des observations astronomiques qui réfutaient certaines idées anciennes concernant les cieux36
Les lois de kepler et de newton
37
2-5 Les lois de Kepler décrivent la forme des orbites, la variation de leurs vitesses et la durée des années planétaires37
Découverte 2-2 Les unités de distances astronomiques40
2-6 Les découvertes de Galilée corroborèrent fortement la cosmologie héliocentrique41
2-7 Newton formula trois lois qui décrivent les propriétés fondamentales des objets physiques42
2-8 La théorie de Newton de la gravitation explique les lois de Kepler44
Chapitre 3
Lumière et télescopes49
La nature de la lumière
50
3.1 Newton découvrit que la lumière blanche n'est pas une couleur fondamentale et proposa que la lumière était composée de particules50
3.2 La lumière voyage à une vitesse finie mais incroyablement élevée53
3.3 Einstein a montré que la lumière peut se comporter comme des particules transportant de l'énergie54
3.4 La lumière visible n'est qu'un des types de rayonnement électromagnétique55
Optique et instruments
57
3.5 Les télescopes concentrent la lumière provenant des étoiles grâce à des miroirs57
3.6 Les télescopes grossissent, résolvent et rendent plus lumineux60
3.7 Les oculaires, les lunettes astronomiques et les jumelles utilisent des lentilles pour focaliser la lumière incidente62
3.8 La conception des miroirs et des lentilles est une science en perpétuelle évolution64
3.9 Enregistrer et analyser la lumière venue de l'espace permet de comprendre le cosmos66
3.10 L'atmosphère de la Terre gêne la recherche astronomique68
L'astronomie non optique
71
3-11 Des télescopes spécialement conçus collectent l'énergie électromagnétique dans toutes les parties non visibles du spectre71
Rayonnement du corps noir
79
3-12 La couleur du pic d'émission d'un objet se décale vers les courtes longueurs d'onde lorsqu'on le chauffe79
3-13 L'intensité émise dans les différentes couleurs révèle la température d'une étoile82
Identifier les éléments en analysant leurs spectres caractéristiques
84
3-14 Chaque élément chimique produit son propre jeu de raies spectrales84
3-15 L'intensité relative des raies spectrales dépend de l'état de la source87
Atomes et spectres
88
3-16 Un atome est constitué d'un petit noyau dense entouré d'électrons88
3-17 Les spectres s'expliquent par le fait que les électrons absorbent et émettent seulement des photons de certaines longueurs d'onde90
3-18 Les spectres fournissent des informations sur le mouvement de rapprochement ou d'éloignement des objets, mais pas leur mouvement latéral92
Chapitre 4
La formation du Système solaire97
Le système solaire contient des éléments lourds, issus d'une génération précédente d'étoiles
98
4-1 Les étoiles transforment les éléments légers en éléments plus lourds98
4-2 La gravitation, la rotation et la chaleur ont forgé le jeune Système solaire99
La formation des planètes
103
4-3 Les planètes géantes apparurent successivement103
4-4 Les planètes intérieures se sont formées principalement par collisions104
Les débris du système solaire
105
4-5 Les orbites en évolution des planètes géantes dispesèrent les débris à travers le Système solaire105
4-6 La ceinture d'astéroïdes est constituée de restes de débris107
4-7 Les débris éjectés par les planètes géantes conduirent au Grand Bombardement Tardif107
Classifications dans le système solaire actuel
108
4-8 La classification des objets du Système solaire a évolué108
4-9 Les orbites des planètes sont reliées109
4-10 Le Soleil s'est développé pendant que les planètes évoluaient110
Chapitre 5
Exoplanètes113
Les exoplanètes - Des planètes hors du système solaire
114
5-1 Les disques protoplanétaires se forment couramment lorsque les étoiles naissent114
5-2 Les astronomes disposent d'au moins sept façons différentes de détecter des planètes hors du Système solaire114
5-3 Les exoplanètes orbitent autour d'une variété d'étoiles époustouflante118
5-4 On a observé des exoplanètes de tailles, de masses et de compositions très variées118
5-5 On a observé des étoiles avec plusieurs planètes120
5-6 De nombreuses exoplanètes ont des orbites extraordinaires, en comparaison avec celles des planètes du Système solaire120
5-7 On a aussi observé des exoplanètes qui ne sont pas en orbite autour d'étoiles120
5-8 Il y a des milliards de planètes122
5-9 On découvre des planètes avec de l'eau liquide122
5-10 La recherche de la vie sur des exoplanètes est en cours123
Chapitre 6
Les planètes telluriques et leurs satellites125
Planétologie comparative
126
6-1 La comparaison des huit planètes montre diverses similarités et des différences importantes126
La terre : Un monde dynamique et vivant
128
6-2 L'évolution de l'atmosphère terrestre dure depuis des milliards d'années129
6-3 La tectonique des plaques provoque des changements majeurs à la surface de la Terre133
6-4 L'intérieur de la Terre consiste en un manteau rocheux et un noyau riche en fer135
6-5 Le bouclier magnétique terrestre nous protège du vent solaire137
La lune et les marées
141
6-6 La surface de la lune est recouverte de cratères, de plaines et de montagnes141
6-7 Les expéditions sur la Lune permirent de recueillir des informations cruciales sur son histoire145
6-8 La Lune est probablement née de débris arrachés à la Terre primitive par l'impact d'un énorme planétésimal150
6-9 Les marées ont plusieurs fois joué un rôle important dans l'histoire du système Terre-Lune152
6-10 La Lune s'éloigne de la Terre154
6-11 Les photographies de Mercure par Mariner 10 et par Messenger montrent une surface de type lunaire154
6-12 Mercure contient plus de fer que la Terre158
6-13 La rotation et la révolution de Mercure sont couplées160
6-14 Mercure est la planète tellurique dont l'atmosphère est la plus fine161
Vénus
162
6-15 La surface de Vénus est dissimulée derrière une couverture nuageuse permanente162
6-16 L'effet de serre sur Vénus163
6-17 Vénus est recouverte de collines douces, de deux continents et de nombreux volcans165
Mars
168
6-18 La surface de Mars contient des plaines, des canyons, des cratères et des volcans169
6-19 Même sans canaux, Mars possède des structures naturelles curieuses172
6-20 L'intérieur de Mars est moins fondu que celui de la Terre172
6-21 L'air de Mars est ténu et souvent rempli de poussières175
6-22 Plusieurs caractéristiques souterraines et de la surface indiquent que l'eau a jadis coulé sur Mars177
6-23 La recherche d'une vie microscopique sur Mars continue182
6-24 Les deux lunes de Mars ressemblent plus à des patatoïdes qu'à des sphères184
Planétologie comparative des planètes intérieures
186
6-25 La comparaison des caractéristiques planétaires fournit de nouvelles clés186
Chapitre 7
Les planètes externes et leurs lunes191
Jupiter
193
7-1 La couche externe de Jupiter est une région dynamique, d'orages et de gaz turbulents193
7-2 L'intérieur de Jupiter comporte quatre régions distinctes196
7-3 Les impacts permettent de sonder l'atmosphère de Jupiter198
Les anneaux et les lunes de Jupiter
199
7-4 La surface d'Io est sculptée par l'activité volcanique201
7-5 Europe abrite de l'eau liquide sous sa surface202
7-6 Ganymède est plus grosse que Mercure204
7-7 Callisto porte les cicatrices d'un énorme impact d'astéroïde205
7-8 D'autres débris orbitent autour de Jupiter, formant des lunes ou des anneaux206
Saturne
207
7-9 L'atmosphère, la surface et l'intérieur de Saturne sont similaires à ceux de Jupiter207
7-10 Les anneaux spectaculaires de Saturne sont composés de fragments de glace et de cailloux recouverts de glace210
7-11 Titan a une atmosphère épaisse, des nuages et des lacs remplis de liquides215
7-12 Rhéa possède de la glace218
7-13 Encélade possède des jets d'eau, une atmosphère et un champ magnétique219
Uranus
220
7-14 Uranus a des nuages et une atmosphère brumeuse220
7-15 Un système d'anneaux et de satellites orbite autour d'Uranus222
Neptune
224
7-16 Neptune a été découverte parce qu'elle devait se trouver là226
7-17 Neptune a des anneaux et a capturé la plupart de ses lunes226
Planétologie comparative des planètes externes
228
Chapitre 8
Les vagabonds du Système solaire233
Planètes naines
234
8-1 Pluton et sa lune Charon ont quasiment la même taille234
8-2 Cérès : une planète naine dans la ceinture d'astéroïdes ; Pluton, Éris, Hauméa et Makemake : des planètes naines mais aussi des objets transneptuniens237
Petits corps du système solaire
238
Astéroïdes
238
8-3 La plupart des astéroïdes orbitent autour du Soleil entre Mars et Jupiter238
8-4 L'influence gravitationnelle de Jupiter crée des lacunes dans la ceinture d'astéroïdes241
8-5 Il existe des astéroïdes en dehors de la ceinture244
Comètes
246
8-6 Les comètes proviennent des régions les plus externes du Système solaire246
8-7 Les queues des comètes se forment à partir de gaz et de poussière arrachés par le Soleil249
8-8 Les comètes sont fragiles mais elles vivent longtemps252
8-9 Les comètes ne sont pas éternelles254
Météoroïdes, météores et météorites
256
8-10 Le Système solaire est parsemé de petits débris rocheux256
8-11 Les météoristes sont des débris spatiaux qui atteignent le sol intacts258
8-12 La météorite Allende témoigne de l'existence d'explosions cataclysmiques262
8-13 Des impacts d'astéroïdes ont provoqué des extinctions massives263
Chapitre 9
Le Soleil : notre extraordinaire étoile ordinaire267
L'atmosphère du soleil
269
9-1 La photosphère est la surface visible du Soleil269
9-2 La chromosphère est caractérisée par des pics de gaz nommés spicules269
9-3 La couronne, la couche la plus externe de l'atmosphère solaire, est exceptionnellement chaude271
L'activité solaire
273
9-4 Les taches solaires révèlent le cycle solaire et la rotation du Soleil273
9-5 Le champ magnétique du Soleil crée les taches solaires276
9-6 Le champ magnétique du Soleil est responsable d'autres phénomènes atmosphériques279
L'intérieur du soleil
282
9-7 L'énergie du Soleil est due aux réactions thermonucléaires dans son coeur282
9-8 Le modèle solaire décrit comment l'énergie s'échappe depuis le coeur283
Découverte 9-1 La fusion thermonucléaire
284
9-9 Le Soleil est devenu de plus en plus lumineux avec le temps287
9-10 Le mystère des neutrinos solaires a inspiré des recherches sur la nature fondamentale de la matière287
Chapitre 10
Galerie de portraits des étoiles293
Au-delà du système solaire
294
10-1 Les distances aux étoiles proches sont déterminées par la parallaxe294
Découverte 10-1 Distance aux étoiles proches
296
Échelles de magnitude
296
10-2 La magnitude apparente mesure la luminosité des étoiles vues depuis la Terre297
10-3 Magnitude absolue et luminosité ne dépendent pas de la distance298
Découverte 10-2 La relation distance-magnitude
299
Températures des étoiles
299
10-4 La couleur d'une étoile nous renseigne sur sa température de surface300
10-5 Le spectre d'une étoile révèle également sa température de surface301
10-6 Les étoiles sont classées en fonction de leur spectre302
Les types d'étoiles
303
10-7 Le diagramme de Hertzsprung-Russell identifie les différents types d'étoiles303
10-8 Les classes de luminosité préparent la scène pour la compréhension de l'évolution stellaire305
10-9 Le type spectral et la classe de luminosité fournissent une deuxième méthode pour déterminer les distances stellaires306
Découverte 10-3 La troisième loi de Kepler et les masses stellaires
307
Masses stellaires
307
10-10 Les systèmes binaires fournissent des informations sur la masse des étoiles307
10-11 Masse et luminosité des étoiles de la séquence principale sont reliées310
10-12 Le mouvement orbital des binaires affecte leur spectre311
Chapitre 11
La vie des étoiles, de la naissance à l'âge mûr317
Les proto-étoiles et les étoiles de la pré-séquence principale
318
11-1 On trouve du gaz et de la poussière entre les étoiles318
11-2 Supernovae, collision de nuages interstellaires et lumière stellaire déclenchent la formation de nouvelles étoiles322
11-3 Lorsqu'une proto-étoile cesse d'accumuler de la masse, elle devient une étoile de la pré-séquence principale324
11-4 L'évolution d'une étoile de la pré-séquence principale dépend de sa masse324
11-5 Les régions H II abritent des amas d'étoiles jeunes326
11-6 Placer une étoile dans un diagramme H-R révèle son âge328
Séquence principale et étoiles géantes
330
11-7 Les étoiles passent l'essentiel de leur vie dans la séquence principale330
Évolution des étoiles de faible masse (0,08 M(...) - 0,4 M(...)
332
11-8 Les naines rouges convertissent toute leur masse en hélium332
Première phases de l'évolution des étoiles de masse intermédiaire (0,4 M(...) - 8 M(...) et des étoiles très massives
333
11-9 Quand la fusion de l'hydrogène ralentit, une étoile de la séquence principale de plus de 0,4 M(...) devient une géante333
11-10 Dans une géante, la fusion de l'hélium commence au centre334
11-11 La vie pendant la phase de géante a ses hauts et ses bas335
Étoiles variables
336
11-12 Une céphéide s'expand puis se contracte tout à tour ; elle pulse337
11-13 Les céphéides permettent aux astronomes d'estimer des grandes distances337
11-14 Les amas globulaires sont des ensembles liés d'étoiles âgées338
11-15 Le transfert de masse dans les système binaires serrés peut former des étoiles doubles inhabituelles340
Chapitre 12
La mort des étoiles et leurs dépouilles347
Étoiles de masse intermédiaire (0,4 Mo- 8 Mo) et nébuleuse planétaires
348
12-1 Une étoile de masse intermédiaire évolue en supergéante et donne naissance à une nébuleuse planétaire349
12-2 Le coeur calciné d'une étoile de masse intermédiaire devient une naine blanche351
Étoiles massives (plus de 8 Mo) et supernovae de type II
354
12-3 Dans les étoiles massives, toute une série de réactions de fusion mènent à des supergéantes lumineuses354
12-4 Les étoiles massives disparaissent au cours de violentes explosions nommées supernovae de type II355
12-5 Des restes de supernova sont observés en de nombreux endroits358
Étoiles à neutrons et pulsars
362
12-6 Les coeurs de nombreuses supernovae de Type II deviennent des étoiles à neutrons362
12-7 Un champ magnétique en rotation explique le signal émis par une étoile à neutrons364
12-8 Les étoiles à neutrons ont une structure interne366
12-9 Les collisions entre étoiles à neutrons sont peut-être à l'origine des éléments les plus lourds de l'Univers367
12-10 Les binaires comprenant une étoile à neutrons peuvent être des sources périodiques de rayons X367
Les théories de la relativité
369
12-11 Einstein a révolutionné nos conceptions de l'espace, du temps et de la gravitation369
À l'intérieur d'un trou noir
374
12-12 Vu de loin, un trou noir est plus simple que tout autre objet dans l'Univers374
12-13 La chute dans un trou noir est en apparence un voyage infini376
Preuves de l'existence des trous noirs
377
12-14 Plusieurs systèmes binaires contiennent des trous noirs377
12-15 D'autres trous noirs ont des masses qui peuvent valoir des milliards de masses solaires378
12-16 Des trous noirs et des étoiles à neutrons dans des systèmes binaires sont souvent sources de jets de gaz380
Sursauts gamma
381
12-17 Les sursauts gamma sont les explosions les plus puissantes connues dans l'Univers381
12-18 Les trous noirs s'évaporent383
Chapitre 13
Les galaxies389
La voie lactée
391
13-1 L'étude des étoiles variables Céphéides révéla que la Voie lactée n'était qu'une galaxie parmi d'autres391
13-2 Les étoiles variables Céphéides permettent de localiser le centre de la Galaxie392
13-3 Les observations de rayonnements non visibles permettent de cartographier le disque galactique393
13-4 Le noyau galactique est un endroit actif et très peuplé397
13-5 Le disque de notre galaxie est entouré d'un halo sphérique contenant des étoiles et de la matière sous d'autres formes399
13-6 La Galaxie est en rotation400
Les mystères aux franges de la galaxie
402
13-7 La plus grande partie de la matière qui forme la Galaxie n'a pas encore été identifiée402
Types de galaxies
402
13-8 L'enroulement des bras d'une galaxie spirale est corrélé à la taille de son bulbe central403
13-9 Les bras des floconneuses sont formés par des explosions et ceux des spirales parfaites par des ondes406
13-10 Des barres d'étoiles traversent les bulbes des galaxies spirales barrées alors que certaines galaxies à disque, les lenticulaires, sont dénuées de bras spiraux408
13-11 Les galaxies elliptiques ont une grande variété de tailles et de masses409
13-12 Les galaxies sans structure globale sont dites irrégulières411
13-13 Hubble disposa les galaxies spirales et elliptiques sur un diagramme en forme de diapason411
Amas et superamas
412
13-14 Les galaxies appartiennent à des amas, qui peuvent eux-mêmes être regroupés en superamas412
13-15 Les galaxies d'un amas peuvent se collisionner et se combiner416
13-16 La matière noire aide à maintenir liées les galaxies individuelles et les amas de galaxies419
Superamas en mouvement
422
13-17 Les décalages vers le rouge des superamas indiquent que l'Univers est en expansion422
Découverte 13-1 La relation de Tully-Fisher et autres techniques de mesure de distances424
Découverte 13-2 L'Univers en expansion425
13-18 Les astronomes peuvent regarder dans le passé, à une époque où les galaxies se formaient425
Quasars
426
13-19 Les quasars ressemblent à des étoiles mais ont des décalages vers le rouge gigantesques427
Autres galaxies actives
430
13-20 Les galaxies actives peuvent être spirales ou elliptiques430
Sources d'énergie supermassives
433
13-21 Des trous noirs supermassifs se trouvent au centre de la plupart des galaxies433
13-22 Les jets de protons et d'électrons émis à proximité de trous noirs peuvent expliquer les galaxies actives435
13-23 La gravité focalise la lumière issue des quasars437
Chapitre 14
Cosmologie443
Cosmologie
444
14-1 La relativité générale prédit que l'Univers est en expansion (ou en contraction)444
14-2 L'expansion de l'Univers donne lieu à un décalage vers le rouge qui rappelle l'effet Doppler445
14-3 La constante de Hubble est reliée à l'âge de l'Univers445
Le Big Bang
446
14-4 Des traces du Big Bang ont été détectées446
14-5 L'Univers possède deux symétries : il est homogène et isotrope448
Une brève histoire de l'espace-temps, de la matière, de l'énergie et de tout le reste
449
14-6 Toutes les interactions étaient initialement unifiées449
14-7 Des équations expliquent l'évolution de l'Univers à une époque où la matière telle qu'on la connaît n'existait pas encore450
14-8 L'homogénéité et l'isotropie résultent de l'inflation451
14-9 Au cours de la première seconde, la majeure partie de la matière et de l'antimatière se sont annihilées452
14-10 L'Univers est passé d'une domination par le rayonnement à une domination par la matière453
La structure de l'Univers
455
14-11 Les galaxies sont nées de gigantesques nuages de gaz primordial455
14-12 L'activité de formation stellaire détermine la structure initiale d'une galaxie459
Le destin de l'Univers
460
14-13 La densité moyenne de l'Univers est l'un des facteurs qui déterminent son destin460
14-14 La géométrie globale de l'espace-temps est reliée à son destin461
14-15 L'énergie noire est responsable de l'accélération de l'expansion463
Découverte 14-1 Théorie des supercordes et théorie M466
Chapitre 15
Astrobiologie469
15-1 L'astrobiologie relie le cosmos et les origines de la vie470
15-2 La présence de vie dépend des propriétés physiques et chimiques de l'environnement471
15-3 Les indices s'accumulent qui suggèrent que la vie pourrait exister ailleurs dans le Système solaire474
15-4 Les recherches de civilisations avancées tentent de détecter leurs signaux radio474
15-5 L'équation de Drake : quel est le nombre probable de civilisation dans la Voie lactée ?477
15-6 Les humains envoient des signaux dans l'espace depuis plus d'un siècle478
Annexes
A Notation en puissances de dixA-1
B Échelles de températureA-1
C Les Planètes : données orbitalesA-3
D Les Planètes : données physiquesA-3
E Les principaux satellites des planètes ordonnés par masseA-4
F Les étoiles les plus prochesA-5
G Les étoiles les plus brillantes dans le cielA-6
H Les constellationsA-7
I Quelques quantités astronomiques utilesA-10
J Quelques constantes physiques utilesA-10
K Table de conversion entre les unités britanniques courantes et les unités métriquesA-10
L Inventaire de la masse et de l'énergie dans l'UniversA-11
M Lire les graphesA-11
N Tableau périodique des élémentsA-14
O MaréesA-15
P Énergie, quantité de mouvement et moment cinétiqueA-16
Q La radioactivité et l'âge des corpsA-18
R Force gravitationnelleA-18
S Les plus grands instruments d'optique du mondeA-19
Réponses aux questions numériques Questions-1
IndexI-1