Chapitre IV – L’Univers

I – Naissance et évolution de l’Univers

1) Le big bang

L'histoire de l’univers est une longue saga d’environ 13,7 milliards d’années.

L'Univers est né à partir d’un point très dense et très chaud. Au début, tout n'est qu'énergie. L'espace alors entre dans une violente expansion. Les premières particules apparaissent et finissent par former des noyaux d’hydrogène et d’hélium. Puis 380 000 ans après le big bang, les électrons sont captés par les noyaux pour former des atomes d’hydrogène et d’hélium.

2) Les premières étoiles

Dans des zones plus denses et plus froides de l’univers en formation, des particules se regroupent grâce à la gravité et forment des étoiles et des galaxies. Dans des étoiles très massives, des réactions de fusion donnent naissance à de nouveaux éléments plus lourds comme, l’oxygène, le carbone, le fer, le silicium… Ces étoiles finissent par exploser ce qui permet de disperser dans l’univers en formation de nouveaux éléments qui vont donner naissance à des étoiles de 2ème génération comme notre Soleil.

3) La formation du système solaire

Notre galaxie, la Voie lactée, s'est formée il y a environ 10 milliards d'années.

Notre soleil a pour origine un nuage de gaz et de poussières appelé nébuleuse qui s’est rassemblé, concentré pour former une étoile, il y a 4,6 milliards d’années. Les restes de gaz et poussières se sont ensuite rassemblés pour former des planètes, notamment la Terre, quelques dizaines de millions d’années plus tard. Formés à partir de la même matière, tous ces corps sont composés des mêmes atomes.

 

II – Description de l’univers

  • Les planètes tournent autour d'étoiles. L’ensemble des planètes, dont la Terre, qui tournent autour du Soleil forment le Système Solaire.

    Le système solaire est un système planétaire composé d'un ensemble d'objets célestes (planètes et leurs satellites, astéroides, comètes) qui orbitent ou gravitent autour d'une étoile, le Soleil. Le Soleil représente à lui seul plus de 99% de la masse totale du système solaire.

    Les planètes sont classées en deux catégories :

    • les planètes telluriques à surface rocheuse (Mercure, Vénus, la Terre et Mars),
    • les planètes géantes gazeuses (Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune).

    Elles dessinent des trajectoires pratiquement circulaires autour du Soleil.

    Dans l'ordre, depuis le Soleil, on retrouve les planètes suivantes :

    • Mercure,
    • Vénus,
    • la Terre,
    • Mars,
    • Jupiter,
    • Saturne,
    • Uranus,
    • Neptune.

    Excepté les planètes les plus proches du Soleil (Mercure et Vénus), toutes les planètes ont des satellites naturels.
    La Lune est l'unique satellite naturel de la Terre.

  • Les étoiles s'organisent d'abord en galaxies, des structures qui s'étendent sur environ 100.000 années-lumière. Il y aurait entre 100 et 200 milliards de galaxies dans l'univers tel que nous le connaissons. Celle dont fait partie le Système solaire a été baptisée la Voie lactée et regroupe quelque 100 milliards d'étoiles. La Voie lactée est une galaxie spirale, mais les galaxies peuvent aussi prendre une forme elliptique ou même irrégulière.

  • Les galaxies se regroupent au sein d'amas. Les galaxies peuvent se lier entre elles par leur force de gravitation et former des amas de galaxies d'une dizaine de millions d'années-lumière. Celui auquel appartient la Voie lactée est appelé « le Groupe local ». Parmi la trentaine de galaxies qu'il abrite, on trouve notamment la fameuse galaxie d'Andromède. L'univers compterait environ 25 milliards d'amas de galaxies.

  • Les amas se regroupent au sein de superamas, des structures gigantesques, de l'ordre de 150 millions d'années-lumière et composées de plusieurs dizaines d'amas chacune. Le Groupe Local appartient au superamas de la Vierge. Dans l'univers visible, il y aurait quelque 10 millions de superamas.

  • Les superamas s'organisent enfin en filaments, comme un réseau tridimensionnel en toile d’araignée.

Entre les superamas, il existe donc d'immenses zones de vide (l'univers est dit « lacunaire »), des zones qui atteindraient, pour certaines, les centaines de millions d'années-lumière. Selon les astronomes, ces zones de vide représenteraient quelque 90 % du volume total de l'univers.

Conclusion :

L'univers est constitué de milliards d’étoiles et de nombreux autres objets célestes tels les planètes, les comètes, les astéroïdes, etc. Tous ces corps se structurent en galaxies, amas et superamas. Cependant, à grande échelle, la structure de l'univers est dite « lacunaire » car celui-ci est en majorité constitué de vide.

III – La matière dans l’univers

1) L’univers

L'univers est constitué principalement d’hydrogène et d’hélium.

2) Notre soleil

Les réactions thermonucléaires à l’intérieur des étoiles créent une grande partie des éléments compris entre le lithium et le fer, qui sont des éléments plus lourds que l’hydrogène et l’hélium.

3) Notre planète

Elle est principalement composée de fer (32,1 %), d'oxygène (30,1 %), de silicium (15,1 %), de magnésium (13,9 %), de soufre (2,9 %), de nickel (1,8 %), de calcium (1,5 %) et d'aluminium (1,4 %), le reste (1,2 %) consistant en de légères traces d'autres éléments. Ces éléments proviennent de réactions au cœur des étoiles ou résultent de l’explosion d’étoiles massives.

 

IV – De l'infiniment grand à l'infiniment petit

1) L'infiniment petit

La matière qui nous entoure est constituée à partir d’atomes, eux-mêmes constitués d’un noyau (constitué de protons et de neutrons) autour duquel tournent des électrons.

Remarque : Les protons et neutrons sont eux-mêmes constitués de particules appelées Quarks. Ce sont les plus petites particules connues à ce jour…

Ces atomes peuvent s’assembler pour former des molécules. Ces molécules s’organisent pour former la matière.

L’ordre de grandeur du diamètre d’un atome est le dixième de nanomètre soit 10-10 m et celui du noyau de l’atome est compris entre 10-14 m et 10-15 m.

2) L'infiniment grand

Quelques distances dans le système solaire et la Voie Lactée :

  • distance Terre-Lune = 384 400 km (distance moyenne)
  • distance Terre-Soleil = 150 000 000 km
  • distance Soleil-Neptune = 4,498 milliards km = 4 498 000 000 km.
  • distance Soleil-Proxima du centaure (étoile la plus proche du Soleil) = 39 900 000 000 000 km = 3,99 x 1016 m

Les distances dans l'Univers étant gigantesques et il a donc été nécessaire de créer des unités de distance adaptées.

Unité Astronomique :

Pour mesurer des distances dans le système solaire, on utilise l'Unité Astronomique.

1 Unité Astronomique (ua) correspond à la distance séparant la Terre du Soleil soit environ 150 000 000 km.

Précisément 1 ua = 149 597 870 700 mètres.

Exemples :

  • distance Terre-Soleil = 1 ua
  • distance Soleil-Neptune = 4 498 000 000 000 m / 149 597 870 700 m = 30 ua

L'année-lumière :

Pour mesurer les distances entre les étoiles, galaxies ou amas de galaxies on utilise l'année-lumière.

L'année-lumière est la distance parcourue par la lumière en 1 année dans le vide.

Sachant que la vitesse de la lumière ou célérité de la lumière dans le vide est de 300 000 km/s = 3 x 108 m/s et qu'une année représente 365,25 jours, alors :

1 al = 365,25 (jours) x 24 (h) x 3600 (s) x 3 x 108 (m/s) = 9,467 x 1015 m

Exemple :

  • Distance Soleil-Proxima du centaure = 3,99 x 1016 m / 9,467 x 1015 m = 4,21 al

Cette distance signifie que si on pouvait se déplacer à la vitesse de la lumière, il faudrait 4,21 ans pour atteindre l'étoile la plus proche du Soleil.

  • L'Univers s'étend sur 13,7 milliards d'années-lumière soit :

Dimension Univers = 13,7 x 109 x 9,467 x 10151,3 x 1026 m !!!

On remarque que l'homme fait la liaison entre l'infiniment petit et l'infiniment grand.

3) Propriété commune entre l'infiniment grand et l'infiniment petit

Les structures infiniment petites et infiniment grandes ont en commun leur structure lacunaire.

En effet, l'atome est essentiellement constitué de vide et la matière se concentre dans un noyau 100 000 fois plus petit que l'atome lui-même.

De même, entre les galaxies, amas et superamas de galaxies règne un quasi vide.

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