Les Indispensables astronomiques et astrophysiques pour tous

Alexandre Moatti

Description

Pourquoi la Lune nous montre-t-elle toujours la même face ? Pourquoi se laisse-t-elle voir en plein jour ? Pourquoi y a-t-il des saisons, des mirages ou des aurores boréales ? Qu’est-ce qu’une grande marée d’équinoxe ?Pourquoi le ciel est-il bleu ? la Lune rouge lors d’une éclipse ? à quoi sert la couche d’ozone ? Et l’effet de serre ? Pourquoi Pluton n’est plus une planète ? Quel est le cycle de vie d’une étoile ? Qu’est-ce qu’un pulsar, un trou noir, un quasar, un rayon cosmique ? Sur quoi se fonde la théorie du Big Bang ?Ce livre met à la portée de tous les notions indispensables pour comprendre notre système solaire, ses ressources et ce qui le menace. Et pour lire son avenir dans l’observation avancée de l’Univers que permet depuis cinquante ans la conquête spatiale. Alexandre Moatti, ancien élève de l’École polytechnique, ingénieur en chef des Mines, est directeur de la publication de www. science. gouv. fr

Sujets

• Astronomie
• Astrophysique
• Space Science
• Sciences et techniques
• Astronomy
• Science

Informations

• Publié par: Odile Jacob
• Date de parution: 17 avril 2009
• Nombre de lectures: 0
• EAN13: 9782738195883
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 2 Mo

Extrait

DU MÊME AUTEUR
AUX ÉDITIONS ODILE JACOB
Les Indispensables mathématiques et physiques pour tous , 2006.
Einstein, un siècle contre lui , 2007
SUR INTERNET
Blog de sciences www.indispensables.net
© ODILE JACOB, AVRIL 2009
15, RUE SOUFFLOT, 75005 PARIS
www.odilejacob.fr
EAN : 978-2-7381-9588-3
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Avant-propos

En 2006, j’ai publié Les Indispensables mathématiques et physiques pour tous : pari, relevé par l’éditeur, d’un livre de vulgarisation à destination d’un large public, mêlant mathématiques et physique, et faisant appel à des formules. En cette Année mondiale de l’astronomie 2009, ce double pari reste le même : la formule aide à la compréhension, mathématiques et physique sont intimement liées.
Les mathématiques tout d’abord, et plus précisément la géométrie, sont consubstantielles à l’astronomie : l’inclinaison de l’axe de la Terre (cause des saisons), les phases de la Lune, les éclipses, la position de l’arc-en-ciel exercent notre représentation dans l’espace… ou dans l’Espace ! La physique, ensuite, est au XX e  siècle indispensable à la compréhension de l’Univers : c’est de sa complémentarité avec l’astronomie que naît l’astrophysique. Car, entre les patients et passionnés observateurs du ciel que sont les astronomes, héritiers d’une tradition bimillénaire, et les « jeunes » astrophysiciens, toujours plus spécialisés et tout aussi passionnés, la cohabitation n’a pas toujours été aisée… C’est une autre gageure de ce livre que de mêler les résultats anciens de l’astronomie et les découvertes récentes de l’astrophysique. Mais astronomie et astrophysique nous conduisent aussi dans d’autres domaines scientifiques : la géologie (avec la composition des météorites ou l’analyse du champ magnétique terrestre), la climatologie (avec la couche d’ozone ou l’effet de serre), bref, ce qu’on appelle maintenant les « sciences de la Terre » ou plus pompeusement la science du « développement durable ».
Sur le fond, j’ai tâché d’être vigilant pour combattre certaines idées reçues : ce n’est pas l’effet de serre mais son excès qui est nuisible, l’éloignement variable de la Terre au Soleil n’est pas la cause des saisons, les étoiles filantes – fausses amies – ne sont pas des étoiles… Que ceux pour qui c’est évident veuillent bien excuser mon insistance : mais des conceptions encore profondément ancrées chez nous tous, liées à nos observations, par exemple une réelle difficulté à percevoir des distances que l’on dit justement « astronomiques », doivent nous amener, parfois, à nous méfier de nos perceptions et de notre intuition. J’ai aussi été vigilant, sur le fond, à la distinction entre un phénomène et son effet : on observe les effets des ondes gravitationnelles (sur la vitesse de rotation des pulsars binaires), mais on n’a pas encore détecté d’onde gravitationnelle.
Sur la forme, j’ai essayé d’éviter le style amphigourique souvent rencontré en astrophysique, comme « une étoile massive meurt dans une explosion de gloire » : la description des phénomènes physiques nécessite à mon avis un minimum de formules (par exemple dans le cas de la fin de vie des étoiles, les formules chimiques de fusion nucléaire), qui viennent étayer un discours que l’on a préféré sobre. Cette sobriété a été aussi le parti pris de l’iconographie, puisque l’ouvrage ne comporte pas d’illustrations ou de schémas en couleurs : en règle générale, les schémas simples sont largement aussi compréhensibles que les diagrammes multicolores.
Comme dans mon premier ouvrage, j’ai opéré des choix – qui pourront être qualifiés d’arbitraires – dans les thèmes présentés, toute l’astronomie ou l’astrophysique ne pouvant figurer dans un livre de deux cent vingt pages. Ainsi, en astronomie, ce qui relève de la stricte cosmographie comme les coordonnées de déclinaison et d’ascension droite ne m’a pas paru relever de l’indispensable ; pas plus, l’analyse de l’activité solaire ou des caractéristiques physiques des planètes. En astrophysique, les calculs d’équilibre hydrostatique des étoiles ou de taux d’expansion de l’Univers ainsi que les modèles cosmologiques dépassaient largement le cadre de cet ouvrage.
Deux fils directeurs m’ont guidé dans ces choix. Le premier a été un lien le plus étroit possible à l’observation, que ce soit la perception directe des phénomènes astronomiques que vous, lecteur, pouvez avoir, ou que ce soit la perception indirecte que vous en avez via les observations des astronomes relatées par la presse ou les livres de vulgarisation. Dans le même esprit de priorité à l’observation, donner le nom des objets célestes m’a aussi paru important : ainsi, les quasars ou les pulsars sont illustrés par certaines propriétés du quasar 3C273 ou du pulsar PSRB1919+21. Mon second fil directeur était le souci de dégager des notions de base en astrophysique : la science s’est tellement spécialisée et complexifiée depuis 1905 – ce phénomène étant amplifié par la conquête de l’espace à partir de 1957 – que manquent à beaucoup d’entre nous les concepts de base formant le corpus de connaissances astrophysiques depuis cinquante ans. Ainsi, la « séquence principale » de vie des étoiles, la notion de pulsar ou de quasar, les rayons cosmiques ou gamma, la récession des galaxies, sont à présent des phénomènes observationnels connus et expliqués, et constituent la base d’une culture scientifique générale.
Ayant privilégié une astrophysique observationnelle, je n’ai pas fait de cet ouvrage un manuel d’astrophysique théorique : la relativité n’y est pas présentée en tant que telle, mais y est largement évoquée, en tant qu’outil de l’astrophysique. Comme les équations de la relativité générale, les équations de Friedmann-Lemaître avec le taux d’expansion ne rentraient pas dans le cadre de cet ouvrage ; la théorie des cordes est simplement mentionnée dans le chapitre 20 parmi les sujets actuels de recherche.
Enfin, l’histoire des sciences, et donc de l’astronomie dans notre cas, est un élément important, voire indispensable, de compréhension : point n’est besoin de le rappeler, peut-être toutefois aux concepteurs de nos programmes scolaires. Si cet ouvrage ne prétend pas être un ouvrage d’histoire de l’astronomie, il s’appuie sur cette histoire quand elle est nécessaire au raisonnement – et c’est bien souvent le cas, y compris sur les cinquante dernières années. L’histoire des sciences aide à comprendre non seulement la science, mais aussi la démarche scientifique, faite de tâtonnements, d’hypothèses, parfois d’erreurs, apportant déceptions ou grandes satisfactions.
Puisse cet opuscule, chers lecteurs, professeurs, ingénieurs, amateurs de science, vous donner l’envie d’approfondir ou de transmettre ces quelques notions d’astronomie et d’astrophysique, d’en découvrir d’autres, et vous aider à mieux comprendre et décrypter l’actualité scientifique féconde en ces domaines.
A. M., janvier 2009
Chapitre 1
Mouvements de la Terre et calendrier

La Terre est sphérique, tourne sur elle-même et autour du Soleil. Trois affirmations aujourd’hui communément admises, mais cela n’a pas été chose facile. Héraclide du Pont émit, au IV e  siècle avant notre ère, l’hypothèse de la rotation de la Terre sur elle-même afin d’expliquer le mouvement apparent des étoiles au cours de la nuit. Ératosthène, un siècle plus tard, calculait de manière expérimentale le rayon de la Terre. Le mouvement de la Terre autour du Soleil fut, lui, plus difficile à admettre : Galilée, adoptant et modélisant l’idée de Copernic, se heurta à l’Église et dut « abjurer » sa théorie 1 .

La forme de la Terre
La Terre est sphérique et non plate, nos Anciens l’ont su en voyant depuis la côte un navire disparaître progressivement derrière l’horizon, ou en observant la forme circulaire de l’ombre portée par la Terre sur la Lune lors d’une éclipse de Lune. L’observation d’étoiles différentes suivant la latitude – et notamment d’un hémisphère à l’autre – prouvait aussi que la Terre n’était pas plate. Ératosthène de Cyrène (276-194 av. J.-C.), directeur de la Bibliothèque d’Alexandrie, par ailleurs inventeur du crible des nombres premiers qui porte son nom, évalue la circonférence terrestre en mesurant les longueurs différentes de l’ombre d’un « gnomon » (bâton planté dans le sol) en deux lieux différents situés à 900 kilomètres de distance, Syène (aujourd’hui Assouan) et Alexandrie. Il obtient une circonférence terrestre de 45 000 kilomètres, mesure d’une bonne précision pour l’époque.

Figure 1 : La ville de Syène (Assouan) est presque située sur le tropique nord, le Soleil y tombe à la verticale d’un puits lors du solstice d’été. Sachant cela, Ératosthène, en mesurant la longueur de l’ombre du gnomon à Alexandrie, déduit un angle α égal à 7° 12', égal aussi à la distance angulaire entre Syène et Alexandrie (N.B. : ici l’angle α est fortement exagéré). Connaissant la distance entre les deux villes et la hauteur du gnomon, il était en mesure de déduire la circonférence, donc le rayon terrestre.
Plus tard, on s’apercevra que la Terre n’est pas une sphère parfaite. La force centrifuge due à sa rotation sur elle-même a un effet différent aux pôles – où elle est nulle –, et à l’équateur – où elle est maximale. La Terre a donc, en fait, la forme non d’une sphère mais d’une quasi-sphère, un ellipsoïde aplati aux p