Mille milliards de soleils

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Grande nouvelle, pour la première fois dans l’histoire de ce blog, vous allez pouvoir réaliser vous même une expérience de physique.
Vous ne resterez donc plus simple lecteur d’un texte qui même avec un effort de vulgarisation et de pédagogie peut néanmoins rester relativement abstrait, vous allez entrer dans la peau d’un physicien !

Attention l’expérience va commencer…

Vous devez d’abord décoller de votre fauteuil puis sortir à l’extérieur, l’étape suivante consiste à lever la tête pour observer le ciel.
Et là, prenez le temps de regarder la lune, les étoiles et si la nuit est claire vous observerez une bande blanche qui traverse le ciel, cette bande est tout simplement notre galaxie la « Voie Lactée ».
A ce moment, vous prenez conscience que vous êtes en train d’observer l’univers entier à partir d’un point d’observation situé sur une toute petite planète.

Vous pouvez alors rentrer tranquillement chez vous pour lire la suite de cet article.

L’univers est grand, très grand !
Peu de gens ont une idée précise de la structure à grande échelle de l’univers observé, un découpage suivant 3 échelles d’analyse a été proposé dans un post précédent [1], le domaine étudié ici se situe dans le cadre du Mégacosme.
Différentes structures sont présentes dans l’univers observable, ces dernières sont par ordre de taille croissante :
– les étoiles
– les galaxies
– les amas et superamas de galaxies

Arpentage de l’univers
L’une des questions que peut se poser le lecteur curieux est de savoir comment les distances sont mesurées dans l’univers, c’est la notion d’arpentage ou astrométrie.
A chaque étape de l’article, une explication sur les méthodes d’arpentage utilisées sera proposée.

Unité de mesure des distances
L’échelle et surtout la plage des distances dans l’univers sont d’une amplitude gigantesque, l’unité la plus commode pour décrire ces dernières est liée à la vitesse de la lumière C qui est supposée constante dans tout l’univers, soit C = 300 000 km/seconde.
Ce principe permet une analogie avec le concept familier du système de mesure du temps calendaire (secondes, heures, jours, années,…).
L’esprit humain peut alors se représenter plus facilement les distances sur cette énorme plage de niveaux d’échelle.

On utilise couramment l’Année-lumière (a.l.) qui est la distance parcourue par la lumière en un an.
D’autres unités plus petites sont utilisées pour les distances plus faibles : seconde-lumière, heure-lumière, etc…

Pour fixer un premier ordre de grandeur, voici quelques distances parlantes :
. Terre -> Lune : 380 000 km, soit 1,3 secondes-lumière
. Terre -> Soleil : 150 Millions de km, soit 8 minutes-lumière
. Terre -> Alpha Centauri (l’étoile la plus proche) : 4,2 années-lumière
. Terre -> Galaxie d’Andromède (la galaxie la plus proche) : 2,55 millions d’années-lumière

A. LES ÉTOILES
Le constituant de base de l’univers à grande échelle est l’étoile, la plus connue est le soleil !

Une étoile particulière : le soleil
Autour du soleil tournent un grand nombre de corps de toutes tailles dont les plus massifs sont répertoriés dans la catégorie planètes.
9 objets étaient classés dans cette dernière jusqu’à 2006, date à laquelle Pluton a été déplacée dans la catégorie planétoïde, il reste donc 8 planètes « officielles ».
La Terre est la 3ième planète par ordre de distance croissante au soleil après Mercure et Vénus.

Cet ensemble constitue le système solaire.

Le système solaire
La frontière précise du système solaire est difficile à définir, car de nombreux objets dits épars orbitent au delà de Pluton.
Ces objets évoluent jusqu’à une distance d’environ 100 fois la distance Terre-Soleil.

=> A partir de ces précisions, le diamètre du système solaire peut être estimé à 24 heures lumière, soit 1 jour-lumière ou encore 1/365 année-lumière.

systeme-solaireLe système solaire et son cortège de planètes

Mesure des distances
Pour mesurer les distances des objets du système solaire, 3 techniques sont utilisées [2] :

1. Triangulation
Il existe 2 possibilité de mesures par triangulation depuis la Terre :
– parallaxe horizontale : utilisation du diamètre connu de la terre
– parallaxe annuelle : utilisation du diamètre connu de l’orbite terrestre

Le satellite « Hypparcos » lancé en 1989 a permis de mesurer suivant la même méthode de triangulation la distance d’objets situés jusqu’à 500 années-lumière de la terre, l’avantage d’un satellite est de s’affranchir des perturbations de l’atmosphère.

2. Troisième loi de Kepler
Cette loi dit que plus une planète est éloignée du Soleil et plus elle prend du temps pour décrire son orbite. La mesure de la durée de cette dernière permet d’en déduire son diamètre moyen et donc sa distance au soleil.

3. Radar et laser
Les mesures directes par radar et laser fournissent la distance des petites et grandes planètes avec une précision de quelques mètres.
Cette méthode est limitée aux objets du système solaire.

B. LES GALAXIES
Sous l’effet de la force de gravitation qui reste par ailleurs de nature mystérieuse, les étoiles se regroupent en paquets que l’on appelle galaxies.

La gravitation est la force qui gouverne l’univers entier. Dans les regroupements d’objets, les petits ont tendance à évoluer en orbite autour des plus grands.

A titre d’exemple, les galaxies tournent autour d’elles mêmes, ce qui signifie que les étoiles qui les constituent tournent autour du centre galactique.

La Voie Lactée
Notre système solaire fait partie d’une galaxie appelée « Voie Lactée« , cette dernière ressemble à un disque, elle est de type spirale avec 2 bras en rotation.

=> La Voie Lactée est constituée d’environ 300 Milliards d’étoiles pour un diamètre de 80 000 années-lumière environ.

terre-dans-voie-lacteeLa Voie Lactée vue depuis un point extérieur (dessin d’artiste)

Le soleil avec son cortège de planètes (flèche rouge) est situé à environ 28 000 a.l. du centre de la galaxie et effectue un tour complet autour du centre de cette dernière en 26 Millions d’années.
Puisque notre soleil est situé près du bord de la Voie Lactée, nous percevons cette dernière par la tranche depuis notre point d’observation sous l’aspect d’une bande lumineuse d’étoiles.

Voie Lactée - vue d'iciLa Voie Lactée vue depuis la Terre (photo)

La Voie lactée fait partie d’un groupe de galaxies appelé « groupe local« .

Groupe local
Un groupe est un ensemble de galaxies voisines liées par la gravité.
Le groupe local est constitué d’environ 80 galaxies incluant la Voie lactée et celle d’Andromède (M31), ces 2 dernières sont de très grande taille par rapport aux autres. Les galaxies de petites tailles sont en fait en orbite autour des 2 plus grandes.

=> Le diamètre du groupe local est d’environ 10 Millions d’années-lumière.

C. GROUPES, AMAS ET SUPERAMAS DE GALAXIES
Comme les groupes, les amas galactiques sont des ensembles de galaxies liées par la gravité. Ces 2 structures sont au même niveau dans la hiérarchie des objets de l’univers.

Amas galactiques
La différence entre les groupes galactiques et les amas réside dans la densité de galaxies qui est beaucoup plus importante dans les amas. Les groupes contiennent en général moins d’une centaine de galaxies alors que les amas peuvent en contenir jusqu’à plusieurs milliers.

L’amas le plus proche du groupe local est l’amas de la Vierge constitué d’environ 1500 galaxies.

Amas de la viergeL’amas de la Vierge (vue partielle)

=> La dimension de l’amas de la Vierge est d’environ 6 Millions d’années-lumière

Les groupes et amas galactiques sont eux même rassemblés dans des structures plus grandes appelées « superamas galactiques« .

Superamas galactiques
Les superamas sont les plus grandes structures connues de l’univers. L’espace situé entre les superamas est pratiquement vide.

Les dimensions des superamas sont de l’ordre de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de millions d’années-lumière.

Le groupe local et l’amas de la Vierge sont inclus dans un surperamas nommé « superamas de la Vierge » ou « superamas local » (pour éviter des confusions avec l’amas de la Vierge).

Le superamas local est constitué d’environ 10 000 galaxies regroupées en une centaine d’amas.

superamaslocalApparence partielle du superamas local (ou superamas de la Vierge)

=> Le diamètre total du superamas local est d’environ 200 Millions d’années-lumière

Ces structures basées sur les amas et superamas galactiques se répètent dans tout l’univers.

Mesure des distances
Comme vu précédemment, la méthode géométrique par triangulation est limitée à une porté de 500 a.l. environ.
Pour mesurer les distances supérieures, on utilise principalement 2 méthodes :
. Les Céphéides (et les Quasars) : distance maximum = 100 Millions d’a.l. [2]
. Le décalage Doppler vers le rouge : pas de limite

D’une manière générale, plus les distances à mesurer sont importantes, plus l’incertitude de mesure s’accroit [3].

Les Céphéides
Les Céphéides sont des étoiles particulières dont la luminosité est cyclique. Une relation entre la luminosité intrinsèque (dite absolue) et cette période a pu être établie.
Si une galaxie distante contient au moins une Céphéide, alors la mesure de sa période permet d’en déduire sa luminosité absolue suivant une méthode mise au point par l’astrophysicien Harlow Shapley.
Il ne reste qu’à mesurer sa luminosité apparente pour en déduire la distance réelle de l’objet en tenant compte des pertes de luminosité dues à la distance.

Le décalage Doppler vers le rouge
Pour les objets encore plus lointains, la méthode de mesure utilisée est celle du décalage des raies spectrales vers le rouge.
Sans entrer dans des détails complexes, il a été remarqué que la lumière décomposée en « raies » des objets astronomiques lointains présente un décalage global de ces raies vers les grandes longueurs d’onde (couleur rouge).

Pour ces objets stellaires, plus le décalage vers le rouge est important, plus l’objet est éloigné du point d’observation, mais ce n’est pas tout !
En effet, l’explication généralement admise (mais il peut y en a d’autres) de ce décalage est basée sur l’effet Doppler-Fizeau.
Cet effet est lié à la vitesse relative de l’objet distant par rapport au point d’observation, plus le décalage est important, plus la vitesse d’éloignement est grande et donc plus la distance à l’observateur est grande également.

car-dopplerUne analogie avec les ondes sonores permet de comprendre ce phénomène, une voiture en approche aura un son de moteur plus aigu que lorsqu’elle s’éloigne, ce phénomène est du à la variation apparente de longueur d’onde du son du à la vitesse.

La théorie du Big-bang est uniquement basée sur cette hypothèse, ce qui montre au passage le caractère très spéculatif de cette dernière !

Hiérarchie des regroupements
En résumé, la hiérarchie des objets de l’univers est la suivante :
– Étoiles
– Galaxies
– Groupes et Amas de galaxies
– Superamas de galaxies

D. L’APPARENCE DE L’UNIVERS A GRANDE ÉCHELLE
La plus grande partie de la matière visible dans l’univers est constituée de ces superamas de galaxies et à l’extérieur de cette matière, on trouve de l’espace quasiment vide avec seulement quelques galaxies éparses !

Quelques questions fondamentales se posent alors à l’issue de ces observations :
1. quelles sont les limites dimensionnelles de l’univers ?
2. quelle est la forme globale (topologie) de l’univers ?
3. quel est l’aspect de l’univers à grande échelle ?

1. Limites de l’univers
La réponse à cette question ne peut être qu’hypothétique car l’univers observable ne correspond qu’à une partie de l’univers total. Cette vision partielle est simple à expliquer, en effet la lumière des objets lointains (*) qui parvient à la terre a mis un certain temps pour arriver jusqu’à nous, cette durée ne peut en aucun cas être supérieure à l’age de l’univers (**).
En conséquence, à chaque seconde qui s’écoule, la « profondeur » visible augmente de 300 000 km.

(*) Rappel : la vitesse de la lumière est limitée et constante (300 000 km/s).
(**) On note le concept récent d’âge de l’univers, ce qui signifie qu’il a eu un début…

2. Topologie de l’univers
Pour ce qui concerne la topologie (forme) de l’univers, les observations ne suffisent pas, il est nécessaire de faire des hypothèses théoriques. C’est le domaine de la cosmologie ou histoire de l’univers.

3. Aspect à grande échelle
Quand à l’aspect de l’univers à grande échelle, les observations permettent de représenter un « gros morceau de l’univers visible » après avoir mesuré la distance de milliards d’objets.
Ces mesures sont alors consolidées par traitement informatique afin d’obtenir une vue en 3D.

Les moyens d’observation
Depuis la mise au point de la lunette astronomique, des télescopes de plus en plus puissants ont été mis au point pour observer à des distances de plus en plus importantes.
De nombreux télescopes sont en fonction dans des observatoires de part le monde pour cartographier l’univers, à ces systèmes financés par la recherche scientifique, il convient d’ajouter ceux de nombreux amateurs passionnés qui scrutent également le ciel. Le terrain à couvrir est tellement immense que certains amateurs font eux même des découvertes reconnues par le monde scientifique.
A noter que le célèbre télescope spatial Hubble qui s’affranchit des perturbations atmosphérique a permis de nombreuses découvertes.

Le résultat des observations
La collecte de milliards d’objets associé à leur distance a permit de représenter l’aspect à grande échelle de l’univers grâce à des simulations visuelles informatiques tridimensionnelles.

Ces visualisations montrent que l’univers possède une apparence alvéolée avec de grands vides de matière de forme à peu près sphériques, l’univers à grande échelle ressemble en fait à une éponge !

Univers 2x representations
Une portion d’univers à grande échelle

=> La taille de cette portion d’univers « en alvéoles » est de plusieurs milliards d’années lumière.

Un schéma de synthèse avec plusieurs niveaux d’échelles

Vue d'ensemble 02

Synthèse des distances
Terre : diamètre 13 000 km ou 0.04 secondes-lumière
Système solaire : 24 heures-lumière ou 1 jour-lumière
Galaxie : 100 000 Années lumières
Groupes et Amas de galaxies : plusieurs millions d’a.l.
Superamas de galaxies : centaines de millions d’a.l.
Univers visible : au moins 13 Milliards d’a.l.

E. CONCLUSION
Les informations présentées ici sont situées dans le cadre du monde sensible à l’échelle du mégacosme [1].
Il s’agit d’une représentation statique de l’univers observé (photographie instantanée) issues de la collecte de données cumulées et consolidées à l’aide de programmes informatiques.
La seule restriction à noter concerne une probable imprécision des mesures proportionnelle à la distance mesurée.

La structure alvéolaire de l’univers à grande échelle correspond donc à la réalité dans la mesure où cette représentation provient uniquement des observations et ne fait appel à aucune hypothèse théorique lourde.

A contrario, l’histoire de l’univers fait l’objet d’une théorie complète élaborée à partir de l’hypothèse que le décalage vers le rouge correspond bien à un éloignement à grande vitesse des objets lointains.
Cette théorie est connue sous le nom de « théorie du Big Bang » également appelée « Modèle standard cosmologique ». Elle part du fait que l’univers est en expansion spatiale dans toutes les directions, autrement dit que sa taille augmente en permanence.
En conséquence, dans le passé, la taille de l’univers était très petite voire même nulle : univers concentré en un point.

L’histoire supposée de l’univers utilise donc toutes les théories physiques connues, en partant de la physique des particules jusqu’à la relativité générale et en passant par la physique nucléaire.

Mais tout ceci est une autre histoire (à suivre sur ce site) !

Références
[1] Science, chapitre 0
[2] Mesures des distances en astronomie :
Site : Planetastronomy.com
Site : Astronomie amateur 17
[3] « La physique et l’énigme du réel » Marceau Felden

Merci à Jean Pierre Petit à qui j’ai emprunté son titre !

Tags :
Univers, Galaxies, Red Shift, Etoiles, Amas galactiques, Superamas galactiques, Astrométrie, Voie Lactée, Soleil, Superamas galactiques

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