Transcript chap01

Astrophysique
• Théorie : 13 chapitres
• TP : exposé de ± 20 min sur un sujet au choix
• Examen : oral, 2 questions
• Cote finale : 2/3 examen + 1/3 exposé
• Ouvrage de référence : Astronomie et Astrophysique
(M. Séguin et B. Villeneuve)
Plan du cours
1. Naissance de l’astronomie
2. Le système solaire
8. Evolution des étoiles
3. Concepts de base
9. La vie dans l’Univers
4. Observations astronomiques
10. La Voie Lactée
5. Spectres stellaires
11. Les galaxies
6. Sources d’énergie
12. L’Univers extragalactique
7. Matière interstellaire et
naissance des étoiles
13. Cosmologie
La naissance de l’astronomie
• L’Univers dans les civilisations préscientifiques
• L’astronomie, fille de l’astrologie
• L’astronomie dans la Grèce antique
• Le monde héliocentrique
L’Univers dans les civilisations préscientifiques
Genèse 1.14 Dieu dit : qu’il y ait des luminaires dans le ciel, pour
séparer le jour d’avec la nuit ; que ce soient des signes pour marquer
les époques, les jours et les années ;
1.19 Ainsi, il y eut un soir et il y eut un matin : ce fut le quatrième
jour.
Le monde biblique :
(influencé par Babylone)
Terre plate, flottant sur les eaux
Firmament reposant sur des piliers
(montagnes)
Le tout baigné par les eaux du ciel
L’Univers dans les civilisations préscientifiques - 2
La création du monde chez les babyloniens
Le monstre femelle Tiamat (chaos primordial) est tué par Mardouk
(dieu du tonnerre)
Tiamat est coupée en deux : une moitié forme la terre et l’autre moitié
le ciel
Le sang du compagnon
de Tiamat engendre les
hommes
Leur mission : servir les
dieux
L’Univers dans les civilisations préscientifiques - 3
La création du monde chez les égyptiens (version Héliopolis)
Atoum (dieu primordial) engendre Chou et Tefnou
Chou (dieu de l’air) et Tefnou (déesse de l’humidité) engendrent les
jumeaux Geb et Nout
Chou (dieu de l’air) sépare
Nout (déesse du ciel) de
Geb (dieu de la terre),
→ naissance du monde
que nous connaissons
L’Univers dans les civilisations préscientifiques - 4
Interprétation magique des événements
Exemple : le cycle journalier du soleil correspond au voyage du dieu
Râ dans le ciel, sur sa « barque de millions d’années »
La nuit, Râ pénètre dans le monde souterrain où il mène un combat
contre les forces des ténèbres ; victorieux, il se lève à nouveau
Les phénomènes inexpliqués
sont interprétés en termes
d’actions individuelles de
déités
Pas de « lois naturelles »
L’astronomie, fille de l’astrologie
Le ciel, domaine des dieux
• les dieux habitent le ciel
• la vie des hommes est sujette aux caprices des dieux
→ rechercher dans le ciel des signes du destin des hommes
Tous les astres gardent la même position
relative sauf :
– le soleil
– la lune
– les 5 astres errants (planètes)
→ leurs positions sont des signes
L’astronomie, fille de l’astrologie - 2
Le zodiaque
Les anciens repéraient les positions dans le ciel par rapport à des
groupes d’étoiles (arbitraires) semblant dessiner des figures
reconnaissables : les constellations
Le mouvement apparent du soleil et
des planètes les fait visiter une zone
de la voûte céleste baptisée zodiaque
Cette zone a été divisée en
12 constellations (de tailles un peu
arrangées) correspondant aux
12 mois de l’année
(un mois = un cycle de la lune)
L’astronomie, fille de l’astrologie - 3
Les astrologies babylonienne et grecque
Pour les babyloniens, la position des astres errants influençait le destin
des rois → importance de prédire les mouvements du soleil, de le lune
et des planètes pour :
– connaître leur configuration lors de
la naissance du souverain
– prédire leurs positions dans le futur
→ naissance de l’astronomie
Les grecs reprennent les idées des
babyloniens en les généralisant à tous
les individus
L’astronomie, fille de l’astrologie - 4
La précession des équinoxes
La terre n’est pas parfaitement sphérique
L’attraction du soleil sur le renflement équatorial
provoque une oscillation de l’axe de rotation de la
terre avec une période de 26000 ans, autour de la
perpendiculaire au plan de l’orbite (écliptique)
→ le plan de l’équateur tourne lui aussi
→ la droite d’intersection entre plan de
l’équateur et plan de l’orbite tourne aussi
→ les constellations du zodiaque se décalent
d’un signe tous les 26000 / 12 = 2170 ans, ce
dont ne tiennent pas compte nos astrologues
L’astronomie dans la Grèce antique
Thalès de Milet
Le « premier scientifique », né vers 625 avant notre ère
Q : Comment le monde est-il fait ?
R : Le premier principe de toute chose est
l’eau (élément que l’on trouve sous les 3
phases)
Imagine la terre comme un
disque flottant sur les eaux
L’astronomie dans la Grèce antique - 2
Anaximandre
Élève de Thalès, né vers 610 avant notre ère
Remplace l’élément unique de Thalès par les 4 éléments :
– eau
– terre
– air
– feu
+ la terre ne flotte pas sur les eaux mais est
suspendue dans l’espace,
« à égale distance de toutes choses »
L’astronomie dans la Grèce antique - 3
Platon
Né vers 430 avant notre ère
Pour lui, la vraie connaissance passe par la raison (l’œil de l’âme)
et non par l’observation (l’œil du corps)
Ce qui se trouve dans le ciel doit être parfait
→ les astres doivent se mouvoir selon des
orbites immuables, parfaites
Or, les formes géométriques parfaites sont la
sphère et le cercle
Le mouvement circulaire des astres étant
parfait, il peut se perpétuer indéfiniment
L’astronomie dans la Grèce antique - 4
Eudoxe
Disciple de Platon, né
vers 410 avant notre ère
Imagine l’univers en
sphères concentriques
(sphères d’Eudoxe)
Terre au centre du monde
Chaque sphère tourne à sa
propre vitesse
N’explique que très
approximativement les
mouvements planétaires
L’astronomie dans la Grèce antique - 5
Ératosthène
Alexandrie, 3e siècle avant notre ère
Détermine la circonférence de la terre
Le 21 juin à midi, le soleil est à la verticale de Syène
Or, à Alexandrie, ses rayons font un angle de 7° avec la verticale
Distance entre Alexandrie et Syène : 5000 stades
→ circonférence de la terre :
5000 × 360 / 7 ≈ 257 000 stades
Les historiens pensent qu’un stade = 157.5 m
→ 40 500 km de circonférence !
L’astronomie dans la Grèce antique - 6
Ératosthène a-t-il prouvé que la terre est ronde ?
Modèle d’Ératosthène : terre sphérique, soleil très éloigné
7°
Alexandrie
d
7°
Syène
→
L’astronomie dans la Grèce antique - 7
Modèle alternatif : terre plate, soleil proche
d / D = tg 7° →
D = d / tg 7° ≈ 40 000 stades ≈ 6400 km
7°
D
7°
d
Alexandrie
Syène
L’astronomie dans la Grèce antique - 8
Hipparque (2e siècle avant notre ère)
Détermine la distance terre – lune
d
Durée max. d’une éclipse de lune : 2.5 h
Période synodique lune : 708 h
2πD/e = 708/2.5 → D/e = 45
2θ = 0.5° = 1/114 rad (Φsoleil)
e + 2θD = d
(1/45 + 1/114) D = d
D
θ
θ
D = 32 d
Valeur moderne : D = 30 d
e
L’astronomie dans la Grèce antique - 9
Mouvement rétrograde des planètes
Comme le soleil et les étoiles, les planètes se lèvent à l’est et se
couchent à l’ouest
Elles semblent se déplacer un peu plus vite que les étoiles
→ leur sphère d’Eudoxe tourne plus vite
Mais, quelquefois, la planète semble
se déplacer moins vite
→ recule par rapport aux étoiles :
mouvement rétrograde
Comment le concilier avec un
mouvement circulaire uniforme ?
L’astronomie dans la Grèce antique - 10
Ptolémée
Né à Alexandrie vers 90 de notre ère
Modifie le système d’Eudoxe pour expliquer le mouvement rétrograde
Chaque planète se déplace sur
un cercle appelé épicycle
Le centre de l’épicycle se
déplace sur un cercle appelé
déférent
épicycle
La terre est au centre du déférent
→ reproduit le mouvement
rétrograde, avec un épicycle et
un déférent pour chaque planète
déférent
L’astronomie dans la Grèce antique - 11
Ptolémée (2e acte)
Le système original de Ptolémée ne rend pas bien compte des mesures
d’Hipparque (variation de la vitesse angulaire)
→ Ptolémée le complexifie
pour mieux « coller aux
mesures » :
– le centre du déférent est décalé
par rapport à la terre
– le mouvement circulaire est
uniforme par rapport à un point
symétrique de la terre appelé
équant
épicycle
équant
déférent
L’astronomie dans la Grèce antique - 12
Coïncidences inexpliquées
• Centres des épicycles de Mercure
et Vénus : sur la ligne terre – soleil
• Pour Mars, Jupiter et Saturne :
« rayon » de l’épicycle parallèle à la
ligne terre – soleil
→ tendance des planètes à se
positionner par rapport au soleil
L’astronomie dans la Grèce antique - 13
L’héritage des grecs
+ recours à la raison et non aux mythes ou vérités révélées ;
liberté de pensée
– rôle mineur de l’observation
+ ils savaient que la terre était ronde (oublié ensuite)
+ auraient même suggéré qu’elle tournait autour du soleil
(Aristarque de Samos, 3e siècle avant notre ère)
– la croyance en la « perfection » des phénomènes célestes
(→ mouvements circulaires) a bloqué tout progrès de l’astronomie
(de la science en général) pendant plus de 1000 ans
→ bilan contrasté
Le monde héliocentrique
Nicolas Copernic (1473 – 1543)
Né à Torun dans une famille aisée, étudie 10 ans en Italie
→ entre en contact avec les « idées nouvelles »
Rentré en Pologne, chanoine à la cathédrale de Frauenburg
Étudie les textes de Ptolémée
S’installe un petit observatoire dans une tour
Utilise les mêmes mesures de position des
planètes que Ptolémée
Montre qu’il existe une manière différente de
les interpréter
Le monde héliocentrique - 2
Monde de Copernic
Soleil au centre
La terre et les astres
errants (sauf la lune)
tournent autour du soleil
Orbites circulaires
Explique simplement le
mouvement rétrograde
Ne rend pas précisément
compte des mesures
d’Hipparque
→ retour des épicycles
Le monde héliocentrique - 3
Comment choisir entre Ptolémée et Copernic ?
Pour Ptolémée :
Pour Copernic :
• la tradition (surtout la religion)
• explication plus simple du
mouvement rétrograde
• le bon sens : si la terre se
déplaçait, on le sentirait (mais
Nicolas de Cuse (1450) : passager à
l’intérieur d’un bateau)
• amplitude décroissante des
rétrogradations de Mars – Jupiter
– Saturne
• absence de parallaxe des étoiles
Ex-aequo :
• niveau de complexité comparable
• précision comparable ( ≈ 5°)
Le monde héliocentrique - 4
Tycho Brahé (1546 – 1601)
Noble danois, étudie la philosophie à l’université mais s’intéresse
surtout aux mathématiques
Lors d’une éclipse, est profondément impressionné par le fait qu’on
puisse prédire de tels événements → étudie l’astronomie
1572 : on observe une Nova dans la constellation de Cassiopée
Changement dans le ciel
→ contradiction avec les idées des grecs
→ tentative de mesurer son mouvement
(nature céleste ou atmosphérique ?)
Manque de précision → conclusions contradictoires
Le monde héliocentrique - 5
Tycho Brahé (2)
Construit un sextant de 5 pieds ½ → montre que la Nova ne bouge pas
→ réputation bien assise ; le roi Frédéric II du Danemark lui accorde
une somme importante + l’île de Hven où il construit un observatoire
Pendant 20 ans, Tycho :
• tient cour au palais d’Uranienborg
• réalise des mesures d’une précision jamais
atteinte jusque là
Après la mort de Frédéric II, Tycho a des
ennuis avec le nouveau roi
→ s’exile à Prague en 1597
Le monde héliocentrique - 6
Johannes Kepler (1571 – 1630)
Exilé à Prague pour cause de guerres de religion
Engagé comme assistant par Tycho
Brahé, chargé d’analyser ses mesures de
positions de planètes
Pensait que l’Univers avait été conçu
selon un plan
Passa une bonne partie de sa vie à
rechercher ce plan qui devait révéler la
beauté ultime de la nature
Le monde héliocentrique - 7
Premier modèle d’univers de Kepler
Basé sur l’existence de 6 planètes et 5 solides réguliers
Héliocentrique
Les 5 solides réguliers occupent
l’espace entre les 6 sphères
planétaires
Le monde héliocentrique - 8
Les lois de Kepler (1)
Analyse des mesures de Tycho > Kepler rejette à la fois géocentrisme
et orbites basées sur des cercles et énonce 2 lois empiriques (1609)
1ère loi :
2ème loi :
Les planètes se meuvent sur des
ellipses dont un des foyers est
occupé par le soleil
Le rayon joignant le soleil à la
planète balaie des aires égales en
des temps égaux
f1
f2
Le monde héliocentrique - 9
Les lois de Kepler (2)
Une dizaine d’années plus tard, il énonce sa 3ème loi :
Le carré de la période de révolution T d’une planète est proportionnel
au cube du demi grand axe a de son orbite
3ème loi :
T2 / a3 = Cte
b
a
Contrairement aux modèles
des Grecs, les lois de Kepler
sont fondées sur une analyse
minutieuse des observations
Le monde héliocentrique - 10
Galileo Galilei dit Galilée (1564 – 1642)
Issu d’une famille peu fortunée de la noblesse italienne
Apprend l’invention du télescope, en construit un et le tourne vers le
ciel
→ découvre :
• des montagnes sur la lune
• des taches solaires
• les phases de Vénus
• 4 satellites de Jupiter
→ remise en cause de la vision
platonicienne / géocentrique
Le monde héliocentrique - 11
Les démêlés de Galilée avec l’Église
Se fait l’avocat inconditionnel du système héliocentrique
Ecrit habiles et en italien → popularise cette vision du monde
Dialogue concernant les deux systèmes du monde
• Salvatio (partisan de Copernic)
(1630)
• Simplicio (partisan du système grec)
• Sagredo (celui qui cherche la vérité)
Met dans la bouche de Simplicio des arguments avancés par le pape
→ Procès : Galilée, vieux et malade, est contraint d’abjurer la doctrine
hérétique du mouvement de la terre
Le monde héliocentrique - 12
Isaac Newton (1642 – 1727)
Né dans une famille anglaise relativement aisée
Étudie la philosophie naturelle à l’université de Cambridge
1665 – 1666 : épidémie de peste
Newton se réfugie à Woolsthorpe et y
invente ou découvre :
• les calculs différentiel et intégral
• la théorie des couleurs
• la théorie de la gravitation universelle
Le monde héliocentrique - 13
Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (1687)
Newton montre que toute la mécanique peut être déduite de quelques
principes de base :
• les 3 lois du mouvement
dont la loi fondamentale de la mécanique :
F=ma
• la loi de la gravitation universelle
m1 m2
F G 2
r
La naissance de l’astronomie
• L’Univers dans les civilisations préscientifiques
• L’astronomie, fille de l’astrologie
• L’astronomie dans la Grèce antique
• Le monde héliocentrique
Fin du chapitre…