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L’Univers ? Vaste sujet …

L’escape game « Une obscurité éblouissante » téléchargeable ici, montre quelles ont été les différentes étapes de la découverte des secrets de l’Univers par l’Homme. Mais quand et comment s’est-il formé, et de quoi est-il composé ? C’est ce que nous allons voir ensemble.

I Le Big Bang, ou la naissance de l’Univers

Le Big Bang est considéré comme l’origine de l’Univers, le temps 0.

Son âge aujourd’hui est estimé à 13,8 milliards d’années, et son évolution est divisée en plusieurs ères.

Schéma de l'expansion de l'Univers
Expansion de l’Univers

Les premières ères sont celles de l’Univers primordial, plus dense et plus chaud, qui se déroulent aux environs de la première seconde après le Big Bang, la synthèse de noyaux atomiques commence, essentiellement du deutérium et de l’hélium.

Arrive ensuite une phase où les premiers protons, électrons et neutrons se forment, suivis des autres noyaux atomiques au cœur des étoiles (beaucoup plus tardive et toujours en cours).

Enfin c’est au tour des atomes de se former, comme le carbone, l’oxygène, l’azote, ou les métaux.

La matière a ensuite continué de s’agréger et a permis la formation des premières étoiles, puis des galaxies, des quasars et des amas et superamas de galaxies

II Les étoiles

 Les étoiles sont des corps célestes formés de plasma et qui produisent leur propre lumière par réactions de fusions nucléaires .

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1) formation

Les étoiles naissent à partir de l’effondrement d’un nuage de gaz et de poussières, 10 à 100 millions de fois plus vaste que la future étoile, au sein d’une nébuleuse ou d’un amas stellaire.

Cycle de vie des étoiles
Cycle des étoiles

La séquence principale correspond à la période durant laquelle l’hydrogène commence à fusionner en hélium grâce à la chaleur au cœur de l’étoile qui atteint 10 millions de degrés. L’étoile naît en quelques centaines de millions à quelques milliards d’années, selon la masse.

Chaque seconde, le cœur du Soleil fusionne 620 millions de tonnes d’hydrogène en 615,7 millions de tonnes d’hélium. La différence de masse est transformée en énergie, sous forme de rayonnement solaire.

Ces réactions vont se produire jusqu’à ce que le cœur de l’étoile atteigne 100 millions de degrés. Le cœur chauffe et dilate l’enveloppe, qui grossi (100 fois le diamètre). Et puisque la surface de cette étoile devient immense, elle se refroidit et rougit, on parle alors de géante rouge. Cela dure quelques centaines de millions d’années…

Lorsque le combustible nucléaire se fait trop rare dans le noyau de l’étoile, les réactions de fusion s’arrêtent, et l’étoile s’effondre sur elle-même. De nouvelles fusions ont alors lieu, l’hélium se transformant en carbone.

Ensuite, pour les étoiles moyennes, les couches externes de l’étoile sont expulsées, elles forment alors une nébuleuse planétaire et au centre reste une étoile morte, une naine blanche.
Pour les étoiles massives, l’effondrement prend la forme d’une gigantesque explosion : la supernova, suivie de la formation d’une étoile à neutrons, voire dans les cas extrêmes (selon la masse de l’étoile) d’un trou noir.

2) Etoile à neutron et trou noir :

Lorsqu’une étoile massive s’effondre sur elle-même en supernova, s’en suit une incroyable explosion dispersant la matière de l’étoile dans l’espace. Dans le même temps, le noyau se contracte et se transforme en étoile à neutrons. Ces étoiles possèdent une vitesse de rotation extrêmement élevée, jusqu’à 1000 tours/s.

Les astronomes chinois ont pu observer une supernova dans la nébuleuse du Crabe. L’explosion a été visible à partir du 4 juillet 1054, en plein jour pendant 21 jours et durant la nuit pendant près de deux ans !

Parfois, le noyau de l’étoile morte est trop massif pour devenir une étoile à neutrons. Il se contracte inexorablement jusqu’à former un trou noir.

Les trous noirs sont des objets célestes si compacts que l’intensité de leur champ gravitationnel empêche toute forme de matière ou de rayonnement de s’en échapper. Les trous noirs supermassifs peuvent être entourés d’un quasar, entité la plus lumineuse de l’Univers.

Un trou noir et son quasar
Trou noir entouré de son quasar

3) Cas du Système solaire

Le Système solaire est composé du Soleil, une étoile naine jaune formée à partir de la matière éjectée lors de l’explosion de supernovas, ainsi que des objets célestes gravitant autour de lui :
– 8 planètes et leurs 205 satellites naturels (appelés lunes)
– 5 planètes naines et leurs 9 satellites naturels
– des milliards de petits corps en grande majorité des astéroïdes et autres planètes mineures, des comètes, des poussières interplanétaires, etc…

Le système solaire fait partie de la galaxie appelée Voie lactée. Il s’est formé il y a 4,5 milliards d’années, et devrait s’effondrer sur lui-même dans 5 milliards d’années, il est donc au milieu de vie. Il ne mesure que 20 milliards de kilomètres (comparé à la Voie Lactée, c’est comme si le Soleil était une pièce de 25 mm, et la Voie Lactée les États-Unis!).

a) Les planètes

Une planète est un corps en orbite autour d’une étoile, et suffisamment massif pour avoir une forme sphérique et avoir nettoyé son voisinage de tous les objets plus petits.

Leur formation résulte de l’agglomération de poussières, suivie ou non d’un ajout gazeux, en fonction de la masse du noyau.

On connaît huit planètes dans notre système solaire: 
Mercure
Vénus
la Terre
Mars
Jupiter
Saturne
Uranus
Neptune

Mnémotechnique des planètes
Mnémotechnique des planètes su Système solaire
Le Système solaire
Système solaire

Les planètes telluriques sont composées essentiellement de roches et de métal, et possèdent en général trois enveloppes concentriques (noyau, manteau et croûte), on y retrouve Mercure, Venus, la Terre et Mars. Une ceinture d’astéroïdes les sépare des planètes gazeuses

Schéma des planètes telluriques
Planètes telluriques

Les planètes gazeuses sont composées essentiellement d’hydrogène et d’hélium et n’ont pas de surface solide. Il y en a quatre dans le Système solaire : Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune. On les appelle aussi les géantes gazeuses.

Schéma des planètes gazeuses
Planètes gazeuses

b) Les planètes naines

Une planète naine est un corps en orbite autour du Soleil et qui, bien que suffisamment massif pour avoir une forme sphérique, est toujours entouré de petits objets célestes.
En 2020, on en dénombre 5: Cérès, Pluton, Éris, Makémaké et Hauméa. D’autres corps pourraient l’être dans le futur, tels que Sedna, Orcus ou encore Quaoar.  
Elles se trouvent aux confins du Système solaire, sauf Cérès qui est la seule à se trouver à l’intérieur de l’orbite de Neptune.

c) Les satellites

Certaines planètes possèdent des satellites naturels, appelés « lunes ». Un satellite naturel est un objet céleste en orbite autour d’une planète ou d’un autre objet plus grand que lui-même qui n’est pas d’origine humaine. Jupiter en compte 79, Saturne 82 (plus environ 150 lunes mineures), Uranus 27, Neptune 14, Mars 2 et la Terre 1: la Lune.
Chez les planètes naines : 5 pour Pluton, 2 pour Hauméa, 1 pour Makémaké et 1 pour Éris.

d) Les petits corps

Astéroïde Ida et la lune
Astéroïde Ida et sa lune
Astéroïde

Un astéroïde est composé de roches, de métaux et de glaces, et ses les dimensions varient de l’ordre du mètre (limite actuelle de détection) à plusieurs centaines de kilomètres. On en compte plus de 750 000 dans la ceinture séparant Mars de Jupiter.

Comète

Une comète est constituée d’un noyau de glace et de poussières. Elle se compose essentiellement de trois parties : le noyau et la chevelure (halo qui entoure le noyau) qui constituent la tête de la comète ; et les queues (généralement 2 : une constituée de plasma et une autre constituée de poussières)

Comète
Comète ISON
Météorite
Météorite
Météorites

Les météorites sont des objets solides d’origine extraterrestre qui atteignent la surface de la Terre, ou d’un autre corps céleste.

e) Les amas

Les amas stellaires sont des regroupements d’étoiles liées gravitationnellement et formées en même temps. Ils permettent de déterminer l’âge des étoiles.

III Les galaxies

1) Composition

Une galaxie est un ensemble :  

  • d’étoiles: entre 100 millions (pour les plus petites) à 100 000 milliards d’étoiles pour IC 1101, la plus grande galaxie connue. Notre Voie Lactée en compte entre 200 et 400 milliards, c’est une galaxie moyenne.
IC 1101 est la plus grande galaxie connue
IC 1101
  • gaz,
  • poussières,
  • vide,
  • matière noire , nouvelle forme de matière qui n’émet aucun rayonnement, mais dont le champ gravitationnel influence le mouvement des étoiles à l’intérieur des galaxies.
  • d’un trou noir supermassif au centre pour la majorité des plus grandes

2) types de galaxies

Il y a trois grands types de galaxies qui se distinguent par leur forme :

Edwin Hubble est à l'origine de la classification des galaxies
Les différents types de galaxies, selon la classification de Hubble

a) Les elliptiques

Qui ont la forme d’un ballon dirigeable. Elles seraient le résultat de collisions entre plusieurs galaxies (classées de E0 à E7)

En forme de ballon dirigeable, NGC 3923 est une galaxie elliptique
NGC 3923 galaxie elliptique

b) Les spirales

Faites d’un disque en rotation, avec un bulbe central d’étoiles généralement plus anciennes. De ce bulbe émergent des bras relativement brillants (classées en Sa, b ,c)

Belle galaxie spirale qu'est M100
M100 galaxie spirale
Exemple de galaxie spirale barrée: NGC 1300
NGC 1300 galaxie spirale barrée

La majorité des galaxies spirales ont une bande d’étoiles linéaire en leur centre, à partir de laquelle émergent les bras spiraux. On les appelle des galaxies spirales barrées.

c) Les morphologies particulières

NGC 5866 est une galaxie lenticulaire
NGC 5866 galaxie lenticulaire

Lenticulaire

C’est une forme de transition (S0) comme NGC 5866, qui possède à la fois les propriétés d’une galaxie elliptique et spirale.

Annulaires

Elles possédent une structure formée d’étoiles et de gaz en forme d’anneau autour du centre galactique, elles peuvent se former lorsqu’une galaxie plus petite passe à travers le centre d’une galaxie spirale. Un tel évènement a pu se produire sur la galaxie d’Andromède.

Objet de Hoag, un bel exemple de galaxie annulaire
objets de Hoag, galaxie annulaire
Galaxie irrégulière du Petit nuage de Magellan
Petit nuage de Magellan
Irrégulières

De formes plus variées, elles sont dues à des interactions avec d’autres galaxies, et n’entrent dans aucune des catégories de Hubble, comme par exemple les nuages de Magellan.

3) La Voie Lactée ou Galaxie (avec un G majuscule)

C’est une galaxie spirale barrée qui mesure entre 100 000 et 120 000 années-lumière, soit 946 100 000 milliards de km. Elle comprend de 200 à 400 milliards d’étoiles, 100 milliards de planètes, et son centre comprend un trou noir super massif.
Les plus vieilles étoiles ont 13,2 milliards d’années, soit à peu près le même âge que l’Univers.
L’ensemble de la Galaxie se déplace à une vitesse d’environ 600 km/s.

Le Soleil, grain de sable au milieu de la Voie Lactée
Voie Lactée

V Les superamas de galaxies

Il s’agit d’une association d’amas (plusieurs milliers) et de groupes (une 50 aine) de galaxies. Ils font partie des plus grandes structures connues dans l’Univers. La forme d’un superamas est irrégulière, souvent aplatie, allongée ou filamenteuse et généralement pas tout à fait sphérique.

La Voie lactée fait partie du Groupe Local (groupe d’une 60 aine de galaxies), lequel est à son tour un membre du Superamas Local, appelé aussi Superamas de la Vierge. Lui-même fait partie d’un ensemble encore plus vaste nommé le Superamas Laniakea découvert en 2014.

VI Les Exoplanètes

Il s’agit de planètes situées en dehors du Système solaire. Au 1er février 2021, 4 414 exoplanètes ont été confirmées. Certaines d’entre elles sont appelées planètes Boucles d’or car elles se situent dans la zone habitable de leur étoile, où il ne fait ni trop chaud, ni trop froid. Ceci favorise la présence d’eau liquide en surface, impliquant la possibilité de vie sur ces planètes.

La plus proche de toutes ces planètes Boucle d’or est Proxima Centauri b, à 40 000 milliards de kilomètres de la Terre.

Les scientifiques estiment à environ 300 millions, le nombre de planètes boucles d’or dans la Voie Lactée, soit une seule galaxie…

Bien que toutes ces découvertes soient stupéfiantes, l’étude de l’Univers et de tout ce qui le compose n’en est encore qu’à ses débuts. Tous les jours, de nouvelles données scientifiques viennent chambouler nos connaissances, et affinent notre savoir.

Mais le plus incroyable reste quand même que l’Homme, fragile créature au beau milieu de cet Univers gigantesque, ait réussi grâce à une improbable combinaison d’observations, de hasard, de chance, d’avancées technologiques et de génie, à en savoir autant sur cet environnement encore totalement inaccessible il y a si peu de temps…..

Pour le découvrir, partagez en famille le jeu d’énigme “Une Obscurité Eblouissante”, dans lequel vous explorerez le cahier de notes de Mystère Anima, qui a parcouru le globe et les siècles pour comprendre les grandes étapes de cette conquête des étoiles!

Webographie :

Nasa

Wikipedia

Futura-science

http://pousse-toidemonsoleil.eklablog.com/labo-d-astrophysique-le-systeme-solaire-a117751808