11 petit panorama astronomique : ballade dans le cosmos

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petit panorama astronomique :ballade dans le cosmospetit panorama astronomique :ballade dans le cosmos

22Des questions (presque) banales

- comment sait on décrire l'Univers et ses objets ?

- c'est quoi l'astronomie ?

- pourquoi y a t il des éclipses ?

- pourquoi la Lune change-t-elle d'aspect ? (phases)

- les étoiles sont elles éternelles ?

- à quoi sert l'astronomie ?

- et bien d'autres……….

33

Etymologie : ASTRO => AstresNOMIE => Lois

Astronomie : étude des lois qui gouvernent la vie des astresNote : astrologie, c'est pas la même chose (pas du tout)

buts de l'Astronomie :décrire et expliquer la nature, le fonctionnement et l'histoire de l'Univers ( rien que ça !)

Etymologie : ASTRO => AstresNOMIE => Lois

Astronomie : étude des lois qui gouvernent la vie des astresNote : astrologie, c'est pas la même chose (pas du tout)

buts de l'Astronomie :décrire et expliquer la nature, le fonctionnement et l'histoire de l'Univers ( rien que ça !)

Astronomie : une définition…Astronomie : une définition…

44Les astres : c'est quoi ?Les astres : c'est quoi ?

Première approche : " c'est ce qu'on voit dans le ciel ??? "

Pas aussi simple que ça !

55Des choses que l'on voit dans le ciel ??? Des choses que l'on voit dans le ciel ???

Il faut distinguer : - objets de la vie courante (oiseaux, avions, satellites,...)

- phénomènes aériens (nuages, arc en ciel, aurore boréale,...)

- objets naturels au-delà de l'atmosphère (Soleil, Lune, étoiles,..)

mais comment distinguer ?

66

Comment distinguer astro/ pas astro ?

Par le mouvement !

En astronomie : mouvement lent, régulier, mouvement d'ensemblegrand manège, voûte céleste : axe de rotation, vitesse

Exception : météores (étoiles filantes)

77

Astres

- objets du ciel situés au-delà de l'atmosphère terrestre

- et dont le mouvement apparent est lent, régulier, périodique

- ils ont un mouvement d'ensemble : leurs positions relatives semblent ne pas varier

Qui provoque ce mouvement apparent ?

- la rotation de la Terre sur elle-même (mvt diurne) axe de rotation voisin de la direction de l'étoile polaire - le déplacement de la Terre par rapport au Soleil (mvt annuel)

pas ici

là

88mais les astres, il y en a beaucoup ! et partout !

comment s'y retrouver dans ce fouillis ??pourquoi vouloir s'y retrouver ? réponse : agriculture, navigation,..

réponse 1 : les constellations ! regroupements arbitraires par voisinage angulaire

attention !! aucun autre lien que le voisinage angulaire

réponse 2 : les catalogues d'étoiles (listes avec positions)

99

quelques célébrités du moment

pléiades

orion

taureau

grande oursecassiopée (le W)

1010

des catalogues et des cartes

premier catalogue : Hipparque, 150? avant JC, 1000 étoiles

autre catalogue historique : Messier, 18eme siècle,"objets diffus", environ 100

le plus récent : satellite Hipparcos 1995 : 120 000 étoiles

le futur : satellite GAIA 2015 ?? :

1 milliard d'objets !

1111statut de l'astronomie

Astronomie = science d'observation i.e.on ne touche pas !Astronomie = science d'observation i.e.on ne touche pas !

1212Méthodes : un peu de philo ?Méthodes : un peu de philo ?Recherche de la vérité : l'approche scientifiqueRecherche de la vérité : l'approche scientifique

je regarde jouer les dieux à un jeu compliqué et je dois trouver les règles seulement en regardantje regarde jouer les dieux à un jeu compliqué et je dois trouver les règles seulement en regardant

deux attitudes :1. je crois un gourou qui me dit "c'est comme ca , les dieux me l'ont dit"

2. j'observe, j'imagine (hypothèse), et je me dis "je crois seulement au contrôle de mon hypothèse par le déroulement du jeu"

deux attitudes :1. je crois un gourou qui me dit "c'est comme ca , les dieux me l'ont dit"

2. j'observe, j'imagine (hypothèse), et je me dis "je crois seulement au contrôle de mon hypothèse par le déroulement du jeu"

Très schématiquement : l' attitude 2 est l'approche scientifique

1313L'observationc'est le moteur de la connaissance en astro

(le carburant c'est la réflexion)

Observer ce n'est pas seulement contempler pour qu'il y ait observation il doit y avoir mesure (même à l'œil nu)

plus de 99.999 % de ce que nous savons sur les astresa été fourni par la lumière que nous en recevons

1414

Mesurermesurer une quantité c'est la comparer à une quantité de même nature prise comme référence (on dit : comme "unité")

une mesure doit fournir un nombre ET une incertitude

mesure de longueur : 6.7 unités +/- 0.1 unité

mesure d'angle4.2 unités +/- 0.1 unité

mesure d'arc1.5 unités +/- 0.1 unité

1515

Mais il faut des unités adaptées

Exemple : longueurs, distances

insecte : mmstylo : cmbateau : mvoyage : km, heures de voiture, heures d'avion

Nice-Paris : grossièrement 1000 km, 1h d'avion

En Astro, on ne parle pas d'avion mais de lumière !vitesse dans le vide : 300 000 km / seconde

1616

Année de lumière

C'est une unité de longueur elle est adaptée aux distances en astro

AL : distance parcourue en un an par la lumière dans le vide

AL (km) = (300 000 km/s) * (365*24*60*60 s)

AL environ 10 000 000 000 000 kmplus facile à retenir 10^13 km

1717

Faire de l’astronomie sans télescope :

des histoires d’angle

1818ciel nocturne, coup d'oeil en passant

1919

Points lumineux : éclats différentscouleurs différentesscintillement (ou pas)

Objets étendus (disques) : Soleil, Lune (et les croissants ?)

le ciel à l'œil nu, on peut voir quoi ?le ciel à l'œil nu, on peut voir quoi ?

On peut remarquer :- mouvement d'ensemble- constellations- phases de la Lune, éclipses, météores- et l'on peut distinguer étoiles et planètes ( comment ? + tard)

Objets diffus : Voie lactée, amas d'étoiles, nébulosités, comètes

2020

La faune astronomique :

- quelques spécimens

- et des jalons de distance

2121Coup d'œil synthétique sur le système solaire

Le Soleil (une étoile), des planètes avec leurs satelliteset des petits corps (planétésimaux)

Mars

MercureVénus

Terre

Jupiter Saturne Uranus

Neptune

PlutonCharon

tailles relatives correctesdistances fausses

2222

La Terre, notre Terre

circonférence : 40 000 kmdiamètre : environ 12 800 kmmasse : 6. 10^24 kg

coup de chance ??ou pas ?

2323

soleil

2424

SoleilDiamètre : 1 390 000 kilomètres, disons environ 1 500 000 km

A retenir : plus de 100 fois le diamètre de la Terre.combien de Terres pour remplir le volume du Soleil ?

Masse : environ 2.10^30 kg,

disons environ 300 000 fois celle de la Terre

Température : 5800 K (surface) 15 000 000 K (noyau)

Le Soleil est, et de loin, l'objet le plus gros du système solaire. Il contient plus de 99.8% de la masse totale du système solaire (Jupiter comptant presque tout le reste).

2525

Taches solairesLa surface du Soleil (photosphère) est à une température de 5800 K. Les taches solaires sont des régions plus froides à seulement 3800 K. Les taches peuvent être très larges, jusqu'à 50 000 km de diamètre.

2626

La Lune, notre satellite naturel

la Reine de la Nuitprobablement la plus grande célébrité du ciel nocturne

2727

LuneDiamètre : environ 1/3 de celui de la Terre

Masse : 8. 10^22 kg , environ 100 fois moins que celle de la Terre

A quelle distance de la Terre ?environ 400 000 kmplus facile à retenir : environ 1 seconde de lumière

2828

éclipses

éclipse de Soleil : terme impropre , on devrait dire : occultation

éclipse de Lune

Eclipse : passage dans l'ombre

la Lune occultele Soleil

2929

le système solaire "interne"les planètes telluriques (cailloux)

3030

le système solaire "externe"les planètes joviennes

3131

entre les deux, les astéroïdes

3232

et tout à fait à la périphérie, un réservoir à comètes

3333

Et au niveau des distances ?

Terre Lune : 400 000 km 1 seconde de lumièreTerre Soleil : 150 000 000 km 8 min de lumière

il faut s'attendre à des nombres de km avec beaucoup de zéroset les années de lumière ne sont pas adaptées ici

on introduit une nouvelle unité de distance :

l'Unité Astronomique : distance moyenne Terre-Soleil1 U.A. = 150 millions de km

c'est avec elle que nous arpenterons le système solaire

3434en partant du Soleil

3 min de lumière0.05 masse Terre

rayon 0.4 RTerre

Mercure 0.4 UA

6 min de lumière0.8 masse Terrerayon RTerre

Vénus 0.7 UA

8 min de lumière6. 10^24 kg

R = 6400 kmTerre 1 UA

la ceinture d'astéroïdes 2.9 UA

12 min de lumière0.1 masse Terre

rayon 0.5 RTerre

1.5 UAMars

3535En s’éloignant du Soleil…

40 min de lumière300 masse Terrerayon 11 RTerre

Jupiter 5 UA

80 min de lumière100 masse Terrerayon 9 RTerre

Saturne 10 UA

3 h de lumière14 masse Terrerayon 4 RTerre

Uranus 20 UA

6 h de lumière17 masse Terrerayon 4 RTerre

Neptune 30 UA

8 h de lumière0.2 masse Terre

rayon 0.4 RTerrePluton-Charon 40 UA

3636Les étoiles : elles naissent, vivent et meurent

Nébuleuse d'orionpouponnière d'étoiles1500 AL

Soleil, étoile adulteune parmi d'autres

supernovaemort explosivecataclysme

après la mort explosiveles restes se diluentnébuleuse du crabe6000 AL

nébuleuse planétaireune mort plus douce5000 AL

pléiades, amas ouvertétoiles jeunes400 AL

amas globulaireétoiles vieilles

autres spécimens :étoiles doubles, supergéantes, naines blanches,pulsars, étoiles à neutrons

3737

Galaxies : des étoiles et de la matière interstellaire

la nôtre : la Galaxiediamètre 100 000 ALplusieurs centaines de milliards d'étoiles

nos proches voisins ( à 150 000 AL) les deux nuages de Magellan

galaxie d'Andromèdecousine, à 2 millions d'AL

il n'y a pas que des spiralesgalaxie du sombrero

3838matière interstellaire, diverses nébuleusesdes formes spectaculaires : l'imagination au pouvoir

la tète de cheval, célébrité, vers Orion

nébuleuse du sablier nébuleuse trifide

nébuleuse North-America

3939

Les amas de galaxies

et plus loin , les quasars, à des milliards d'années de lumièreprobablement des galaxies avec un trou noir au milieuqui provoque une gigantesque libération d'énergie

l'amas de la Viergeà 50 millions d'ALplusieurs centaines de galaxiesla nôtre est dedans (sur le bord)

il y a d'autres amas, et il y a des super amas"jusqu'où s'arrèteront-ils "

amas d'Hercule, 650 millions d'AL

4040Récapitulons ! Cosmos : vision ordonnée de l'Univers

toute une population d'étoiles = galaxienous habitons la Voie Lactée ou la Galaxie (majuscule)une parmi d'autres

tout plein de galaxies = amas de galaxie

Soleil : une étoile parmi d'autres

des amas d'amas, des super-amasdes univers-iles

centaines et milliers d'années de lumière

minutes et heures de lumière

centaines de millions d'années de lumière

milliards d'années de lumière

4141

Astronomie sans télescope : antiquité, un palmarès éblouissant et des histoires d'angles

Astronomie sans télescope : antiquité, un palmarès éblouissant et des histoires d'angles

* positions, constellations, mouvement d'ensemble* le gnomon et le cadran solaire* le temps, les calendriers* catalogues, cartes* des astres indisciplinés : planètes

* mesures fondatrices (géométrie + mesures angulaires)la Terre est ronde, diamètre de la Terre,diamètre de la Lune, distance Terre Lunedistances relatives Terre-Lune et Terre Soleilles étoiles sont "très loin"

4242histoire d'angles : les radians

ce serait sympa de pouvoir écrire A(R1,) = R1* (nombre réel)avec les degrés, on peut pas ! si est exprimé en radians, on peut !

angle au centre :

R1

R2

A(R1,) = longueur de l'arc pour angle et rayon R1

A(R2,) = longueur de l'arc pour angle et rayon R2

Radian = nouvelle façon d'exprimer les angles

4343les radians : suite

à connaître sans hésitation1 arcmin = 3. 10 E(-4) radian1 arcsec = 5. 10 E(-6) radian

en astro, on a souvent des angles et arcs TRES petits plus petits que 1° …

minute d'arc : 1°/60 1 ' ==>2 /(360°. 60 '/°) radian1 ' 2*3.14 / (400*50) 3. 10E(-4) radian

seconde d'arc : 1 ' / 60 = 1°/3600 5. 10 E (-6) radian

4444

premières mesures : des angles

le gnomon (baton vertical) : ombre portéeL connuM mesuré L

M

L/M = tg ==>

oeil

champ de vue

œil nu : pas précis, équation personnelle

4545

premières mesures : des angles

L/M= tg M

Loeil

œil assisté : arbalète ou baton de Jacobplus précisimpersonnel (presque)

une vraie mesure (nombre)

séparations angulaires (on dit aussi distances angulaires)

il y a aussi le quadrant et d'autres..

4646encore des angles : diamètre apparent

M

Loeil

L/M= tg

lune : 32 arcmin soit environ 1/100 radian

illustration commode pour 1 arcsec : petit pois à 1 km

5 mm

1 km ou 1E6 mm

4747 un p'tit tour chez les Grecs ?

samos

4848

Aristarque de Samos (270 av JC)géométrie du système Terre-Lune-Soleil

Diamètre Lune/Diamètre Terre éclipsedistance Lune/ Diamètre Terre éclipsedistance Terre-Soleil / dist.Terre-Lune quartier

diamètre du Soleil éclipse totale de Soleil

à l'époque résultats faux (insuffisance des instruments de mesure)mais raisonnements justes ( et beaux)

4949rapport : dist Terre-Lune / Diam Terreéclipse et chronométrage

L

D

2.L / D = T / t

T et t mesurés => L/D = (1/2).(T / t)

on peut aussi avoir le rapport DiamètreLune/Diamètre Terre

un tour : durée T (lunaison)

éclipse : durée t

5050rapport (DiamètreLune / Diamètre Terre) évaluation par chronométrage La Lune parcourt un arcégal à son diamètre D pendant "t" (1 h environ)

on mesure le temps "T" entre le premier et le dernier contact

Ce temps "T" correspond à (X+1) diamètres lunaires

On a T(heures) = (X+1). t (heures)

On en tire DTerre/Dlune = X

ombre Terre

approx D Terre

t

x*D

(x+1)*D

T

5151

rapport (DiamètreLune / Diamètre Terre)une approche graphique

environ un facteur 3 :

Dterre ~ 3* Dlune

5252distances relatives (Aristarque)

rapport (distance Terre Soleil / distance Terre Lune)rapport (distance Terre Soleil / distance Terre Lune)

Lune au quartier(éclairage "de coté")on exploitel'angle droitet la trigonométrie

TL

TS

TL / TS = cos M

M

Aristarque a trouvé TS = 20.TL (?)en fait c'est plutôt 400.(150 000 000 / 400 000)

5353

encore Aristarque : diamètre du Soleil

Eclipse totale =>Lune , Soleil même diamètre apparent

Alors :Diamètre Lune/Diamètre Soleil = Distance Lune/Distance Soleil

d'où : Diam Soleil = Diam Lune * (Dist Soleil/Dist Lune)

5454diamètre de la Terre : Erathostène (230 av.J.C.) le puits et le gnomonla Terre est ronde, on le savait : bateaux à l'horizon

R

pL

h

(radian) = L/R

tg = p/h ~ L/R ~ p/h R ~ (L*h) / p

on connaît L on mesure plongueur de l'ombre

5555

Triangulation : un outil puissant

A B

p

: direction fixe, référence

Si la distance de O au segment AB changeAlors et changent, comme p = , il change aussi

p est une parallaxe, p est devenu un indicateur de distance

5656

distances des objets proches : parallaxe (Hipparque, 150 av JC) objet lointain (référence)

A

BR

pdistance

R connu ( Erathostene, 230 av JC)A et B mesurés ------> p, la parallaxe : p = B-Atrigo => p = R/distance

alors distance = R/p (longueur/radian = longueur)

5757et les objets éloignés ?

la méthode de la parallaxe trigonométrique ne marche plus

l'angle devient trop faible pour être bien mesuré.

Que faire ? agrandir la baseLa plus grande accessible : le diamètre de l'orbite de la Terre

Pour une même erreur de mesure, l'incertitude sur la distance grandit avec la distance

base p

et l'incertitude sur le résultat grandit avec l'éloignement

5858parallaxes stellaires

date "t + 6mois"

date "t"

p

5959nouvelles unités de distance : l'Unité Astronomique et le PARSEC

PARSEC : quand l'angle p vaut 1 arcsecla distance Etoile-Soleil est de 1 parsec

calcul rapide en km et en A.L. … réponse : 1 psc ~ 3*10^13 km, 1 psc ~ 3 AL

p1 UA

Terre

SoleilEtoile

unité astronomique ( UA) : distance moyenne Terre Soleil

6060récapitulons ! unités de distance

1 arcsec

avec cette étoile (distance 2 psc) on loge 2 fois la parallaxe dans 1 arcsec :d'où 2 par seconde = 2 parsec

année de lumière (AL) : distance parcourue en 1 an par la lumière1 AL 1013 km

unité astronomique ( UA) : distance moyenne Terre Soleil

1 UA 1.5 108 km soit 8 minutes de lumièreparsec (psc): distance à laquelle on voit 1 UA sous un angle de 1 arcsec

1 psc 3 AL

un nom bizarre ?? pas si bizarre :

6161Quelques repères chronologiques …

Stonehenge, Mésopotamie, Babylone, Egypte3000 av JC, 2000 av JC , mouvement, calendriers, constellations, prédictions des éclipses, phases de la lune

les Grecs , - 600, + 170 cosmogonie géocentriques et héliocentrique, planètes et leur mvtmesures fondatrices, catalogues, parallaxe

La route du SudLes astronomes Arabes transfèrent les connaissances des Grecset les leurs propres vers l'Europe, en passant par le Sud de la Méditerranée

6262un peu d'histoire ( la suite)

Renaissance-18ieme siècleLe club des 5: Copernic, Tycho Brahe, Kepler, Galilée, NewtonHéliocentrisme, fondation de la méthode expérimentale, prépondérance de l'observation, mécanique et gravitation

Astronomie dite moderne ( après Newton)triomphe de la Gravitation, spectroscopie, grands telescopes, relativitéradioastronomie, ère spatiale…...

6363

Galilée, 1564-1642

Exemple spectaculaire de l’apport instrumentall’emploi de la lunette bouleverse la vision de l ’UniversRépercussions pas seulement pour la science

découvertes de Galilée observateur : cratères lunaires, satellites de Jupiter, taches solaires, phases de Vénus

6464Galilée, 1564-1642

découvertes de Galilée observateurcratères lunaires, satellites de Jupiter, taches solaires, phases de Vénus

6565modèles, théoriesmodèles, théories

une théorie est acceptable quand 1. elle fournit des prédictions vérifiées2. elle est éventuellement réfutable

une théorie est acceptable quand 1. elle fournit des prédictions vérifiées2. elle est éventuellement réfutable

à force de ramasser des "bouts de régles du jeu" je construit une grande règle du jeu ( applicable à plusieurs phénomènes)à force de ramasser des "bouts de régles du jeu" je construit une grande règle du jeu ( applicable à plusieurs phénomènes)

pour tel phénomène j'ai exhibé un comportement, un mécanisme de fonctionnementj'ai établi un "modèle" ou une "loi" (gaz, électricité,étoiles,...)

pour tel phénomène j'ai exhibé un comportement, un mécanisme de fonctionnementj'ai établi un "modèle" ou une "loi" (gaz, électricité,étoiles,...)

en associant des grandes règles du jeu je peux construire une "supergrande règle du jeu" j'ai posé un "principe", j'ai élaboré une "théorie", ce sont des guides pour imaginer de nouvelles hypothèses

en associant des grandes règles du jeu je peux construire une "supergrande règle du jeu" j'ai posé un "principe", j'ai élaboré une "théorie", ce sont des guides pour imaginer de nouvelles hypothèses

6666jalons de distance

système solaire : Unités Astronomiques, heures de lumière

dans la Galaxie : Années de Lumière, milliers d'A.L.

les galaxies : centaines de millions d'Années de Lumière

les astres les plus lointains observés (quasars) : milliards d'Années de Lumière