50 clés pour comprendre l'Univers

Mesurer les distances des objets célestes proches et éloignés nécessite un vaste éventail de techniques. Tout au long de l’histoire de l’astronomie, établir un nouveau degré sur cette échelle de distance a souvent révélé des indices sur la façon dont les objets du prochain échelon pourraient être trouvés.

Représentation schématique des deux téléscopes les plus répandus. Dans une lunette astronomique de type réfracteur (en haut), la lumière collectée par un objectif est déviée vers un foyer où elle forme une image qui est ensuite agrandie par la lentille de l’oculaire. Dans un télescope de type réflecteur newtonien (en bas), un miroir primaire courbé recueille la lumière et la renvoie vers un miroir secondaire qui la défléchit jusqu’à la lentille de l’oculaire.

Bien que les détails précis de la formation du Système solaire ne soient pas encore connus avec certitude, les grandes étapes sont claires : un nuage de gaz et de poussière a commencé à s’effondrer sous l’effet de sa propre pesanteur (1) tout en s’aplatissant en un disque avec un renflement central (2). Le Soleil s’est formé au centre avec les noyaux solides des protoplanètes en orbite autour de lui (3). Ces derniers ont capturé la matière alentour pour constituer les planètes majeures actuelles (4).

Il y a 4,5 milliards d’années, les planètes géantes, confinées à l’intérieur de l’orbite actuelle de Saturne, étaient entourées d’une vaste proto-ceinture de Kuiper.

Il y a 4,1 milliards d’années, sous l’influence de Jupiter et de Saturne, Neptune et Uranus ont migré sur des orbites elliptiques et commencé à perturber la ceinture de Kuiper.

Il y a 4,1 à 3,8 milliards d’années, Neptune et Uranus, à leur maximum d’excentricité, ont échangé leur position par rapport au Soleil. Les objets de la ceinture de Kuiper sont projetés dans toutes les directions, bombardant le Système solaire interne.

Il y a 3,5 milliards d’années, les orbites d’Uranus et de Neptune sont devenues plus ou moins circulaires et le Système solaire a pris sa configuration actuelle.

Une simulation par ordinateur modélise la formation d’une proto-Lune quelques heures seulement après la collision entre un planétoïde de la taille de Mars et une Terre primitive dont la masse serait d’environ 90 % de sa masse actuelle.

1999

2001

De gauche à droite : Pluton avec ses lunes Charon, Nix et Hydra, vues par le télescope spatial Hubble.

Au début d’un cycle solaire (1), un champ magnétique faible s’établit d’un pôle à l’autre sous la surface du Soleil. Dès que le cycle évolue, la rotation différentielle commence à étirer le champ magnétique vers l’équateur (2). Puis, le cycle se poursuivant, le champ devient plus enchevêtré (3) et des boucles magnétiques provoquent taches et éruptions solaires.

Dans les étoiles de la séquence principale, l’énergie est transportée du cœur jusqu’à la surface par convection ou par radiation, la profondeur et la position de ces différentes zones de transport variant en fonction de la masse de l’étoile.

Une étoile passe la plus grande partie de son évolution à fusionner l’hydrogène en hélium dans son cœur (1). Quand les réserves d’hydrogène sont épuisées, le processus de fusion migre dans une couche périphérique (2). À la fin, le cœur, en se contractant, devient assez chaud et assez dense pour que les réactions de fusion de l’hélium puissent s’amorcer (3).

Ce diagramme H-R présente les trajets évolutifs de Hayashi et de Henyey d’une étoile nouvellement formée à l’approche de la séquence principale.

Carte météo de la naine brune Luhman 16B.

Tant qu’elles restent sur la séquence principale, les deux étoiles demeurent bien à l’intérieur de leurs lobes Roche.

Alors que l’étoile la plus massive gonfle au point de devenir une géante, elle transfère de la matière à sa voisine.

Enfin, l’étoile la moins massive peut à son tour devenir une géante. La matière circule désormais dans les deux sens.

Ce tableau montre comment les tailles d’exoplanètes plus ou moins semblables à la Terre varient en fonction de leur masse et de leur composition.

Comparaison entre l’orbite de Kepler-22b, la première exoplanète évoluant dans la zone habitable d’une étoile de type solaire, et les orbites des planètes de notre Système solaire interne.

Quand une étoile de type solaire a épuisé tout l’hydrogène présent dans son noyau, elle quitte la séquence principale du diagramme de Hertzsprung-Russell (1) en augmentant d’éclat et en se dilatant pour devenir une géante rouge (2). Lors de la phase de combustion de l’hélium dans le cœur, l’étoile rejoint la branche horizontale (3), mais dès que l’étoile entame la phase de combustion de l’hélium en coquille, elle se dilate encore plus et rejoint la zone dite asymptotique des géantes (4).

Le kappa-mécanisme commence par une zone d’ionisation partielle transparente aux rayonnements. Sa présence réduit la pression de radiation, si bien que les couches externes de l’étoile tombent lentement vers l’intérieur (1). Sous l’effet de cette compression, les températures augmentent au point que la zone devient plus ionisée et opaque, piégeant le rayonnement (2). Cet épisode augmente la pression vers l’extérieur et l’étoile commence à se dilater (3) jusqu’à ce que la zone, se refroidissant et voyant son ionisation diminuer, devienne à nouveau transparente (4) pour que le processus puisse se répéter.

L’intérieur d’une supergéante évoluée se compose d’une énorme enveloppe d’hydrogène dont le diamètre est peut-être similaire à celui de l’orbite de Jupiter. Vers le centre, les astrophysiciens discernent une assez petite série de coquilles abritant des processus de fusion aptes à synthétiser des noyaux de différentes masses, jusqu’à celle du fer.

La plupart du temps, la naine blanche, dans un système binaire à nova, soutire régulièrement la matière de son étoile compagne (1), accumulant ainsi une atmosphère autour d’elle par le biais d’un disque d’accrétion. De temps en temps, l’atmosphère devient si chaude et si dense qu’elle explose dans une tempête de feu nucléaire (2).

Les trous noirs en rotation sont susceptibles d’être le type le plus commun dans la nature. Selon l’analyse du mathématicien néo-zélandais Roy Kerr menée en 1963, ils présentent plusieurs caractéristiques qui ne se retrouvent pas dans les trous noirs statiques.

Ce schéma montre comment des zones en spirale où la densité est plus élevée peuvent naturellement se constituer, pour peu qu’un grand nombre d’orbites elliptiques soient légèrement décalées les unes par rapport aux autres, comme c’est le cas sous l’influence d’une autre galaxie passant à proximité.

Carte simplifiée de la Voie lactée montrant la position de notre Système solaire et des principaux traits distinctifs de notre Galaxie.

Schéma représentant la classification des galaxies de Hubble.

À gauche : lors d’une fusion majeure de galaxies, les spirales en collision perdent leur structure et entrent en coalescence pour former une galaxie elliptique plus grande.

À droite : dans une fusion mineure de galaxies, l’absorption d’une petite galaxie naine par une spirale améliore la structure de la spirale et le taux de formation stellaire.

La structure complexe d’un AGN donne lieu à différents types de galaxies actives en fonction de l’angle sous lequel il est observé.

Tranche du relevé de décalages vers le rouge de galaxies, produit par le balayage du ciel mené par le télescope anglo-australien de Siding Spring, en Australie, au moyen du spectrographe multi-objets dont le champ est de deux degrés (d’où son nom : 2dF, acronyme pour Two-degree Field, champ de deux degrés), qui révèle la distribution de dizaines de milliers de galaxies dans un réseau cosmique de filaments et de vides.

Lorsqu’on considère l’expansion de l’Univers, une analogie classique est d’imaginer l’espace comme un ballon qui gonfle. À mesure que le ballon s’étend, les points à sa surface (les galaxies) s’éloignent les uns des autres. Plus la distance initiale entre ces points est grande, plus ils se déplacent rapidement. L’étirement des longueurs d’ondes de la lumière dans un espace en expansion peut également être imaginé de la même manière.

Chronologie simplifiée montrant les principales étapes de l’histoire de la matière, du Big Bang à la formation des premières étoiles et galaxies.

Ce schéma montre les éléments clés de « l’écologie galactique » qui voit la matière s’élaborer dans les étoiles et retourner vers le milieu interstellaire.

Carte détaillée du CMBR dressée avec les données recueillies par la sonde spatiale WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, sonde Wilkinson des anisotropies micro-ondes) de la NASA au cours de neuf années d’observation. Les parties plus claires dénotent les régions d’une température plus élevée que la température moyenne du CMBR de 2,73 K, tandis que les zones plus sombres sont légèrement plus froides.

Image enregistrée par le télescope spatial Hubble, en 1994, d’une supernova de type Ia (en bas à gauche) dans la galaxie assez proche NGC 4526. À une distance de 50 millions d’années-lumière de la Terre, la supernova était trop proche pour que l’énergie sombre affecte l’estimation de sa distance par le truchement de son décalage vers le rouge.

Graphique en secteurs montrant la prédominance de l’énergie sombre dans le contenu de l’Univers en masse-énergie d’après les données collectées en 2013 avec la sonde spatiale Planck.

Pour aborder la relativité générale, on peut imaginer l’espace-temps comme une feuille de caoutchouc distordue par des objets massifs. De telles distorsions affectent non seulement les orbites d’autres objets, mais elles dévient aussi les trajectoires des rayons lumineux, donnant lieu au phénomène connu sous le nom de lentille gravitationnelle.

Le message d’Arecibo (ci-dessus) était une bouffée de 1 679 chiffres binaires : le produit des nombres premiers 23 et 73. Une fois disposé sur une grille de 23 colonnes et 73 lignes, le message forme un pictogramme simplifié.

Les éventuels destins de l’Univers furent traditionnellement évalués en fonction du paramètre de densité Ω, mais la découverte de l’énergie sombre semble devoir l’emporter sur les autres possibilités.