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Observer l'Univers - L'Univers

L'Univers

Bienvenue sur ce site qui expose une méthode d'observation du ciel profond, entre l'observation visuelle et l'astrophotographie.
Sans posséder un matériel onéreux et complexe, il est possible même depuis la ville, d'observer des astres très lointains qui composent notre Univers.

1) Introduction

Dans mon enfance, bien avant l’ère du numérique, je consultais des ouvrages parlant d’astronomie qui étaient illustrés de belles photographies de planètes et de nébuleuses. Tout ceci me paraissait inaccessible et je m’interrogeais presque sur la réalité de ce qui était montré ! "qui me dit que c’est vrai ? ". Je m’intéressais à l’astronomie sans être un grand connaisseur. Un soir d’août 1991, je regardais une émission en direct sur la chaîne Antenne2 (France2) qui traitait du Ciel , c’était la première édition de la « Nuit des étoiles ( filantes ) », il y avait un éminent et charismatique astronome professionnelle à la barbe blanche en la personne d’Hubert Reeves. Bref, à la fin de l’émission, motivé par tout ce qui a été traité, je sors la longue-vue familiale dans le jardin, pour essayer d’observer quelque-chose d’intéressant. Je dirige l’instrument vers une étoile modérément brillante.
Je zoome, je règle la netteté de l’image, l’étoile en question est spéciale car elle ne scintille pas avec tout un cortège d’aberrations de toutes les couleurs comme d’autres étoiles que j’ai observées désespérément par hasard auparavant ! Celle-ci a des contours fixes, elle a une forme ovale… j’améliore le grossissement et stupeur : "Mais c’est Saturne la célèbre planète aux anneaux !"… "On peut voir ça, de chez soi, sans avoir besoin d’un grand observatoire ? "
"Mais si je peux observer Saturne, je peux observer plein d’autres choses … "
Les nuits suivantes, je relevais la position d’un point changeant sans cesse autour de Saturne, j’avais confirmé la période de rotation de 16 jours environ du satellite Titan … Je pouvais refaire les mêmes expériences que les anciens astronomes comme celle de Christian Huygens plus de 300 ans après.
Voilà comment, je me suis passionné à l’astronomie amateur. Au fur et à mesure des années, j’ai appris à découvrir le ciel. Le numérique a envahi notre quotidien et bien sûr nos loisirs. L’astronome amateur utilise presque les mêmes technologies que les professionnels, permettant d’explorer plus loin le cosmos, ce qui va lui permettre de se rendre compte par lui-même de la réalité du monde scientifique.

2) Qu'est que c'est l'Univers ?

La définition de l'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe. Quand les scientifiques parlent de l'Univers, ils parlent de notre Univers issu de l'étude de notre Univers observable ! L'Univers observable est tout ce qui existe et qui est observable. L'Univers " global " serait énormément plus important que " notre Univers " avec l'impossibilité de le voir entièrement. L'Univers "global" peut être infini ou être fini mais sans limite ( par exemple, la surface de la Terre est finie mais sans limite : aucun obstacle ne vous empêche d'en faire le tour un nombre indéfini de fois )

"Deux choses sont infinies : l'Univers et la Bêtise humaine, en ce qui concerne l'Univers, je n'en ai pas acquis la certitude absolue " Albert Einstein

A quoi ressemble notre Univers observable ?

Représentation de l'Univers observable, d'inspiration logarithmique ( En s'éloignant du centre, les distances augmentent considérablement )

Il a l'apparence d'une sphère où la Terre est au centre, le rayon est de 13,8 milliards d'années lumière ( soit une distance parcourue à la vitesse de la lumière ( 300000 km/s ) durant 13,8 milliards d'années )
Attention ! la Terre n'est pas au centre de l'Univers , c'est juste une apparence pour l'observateur terrien. Un habitant d'une planète située à des milliards d'années lumière de nous , aura une perspective similaire d'être au centre de son propre Univers observable.
La paroi intérieure de cette sphère représente la limite observationnelle qui s'appelle le fond diffus cosmologique; c'est le tout premier rayonnement possible, émis environ 380000 ans après le Big Bang, à un moment particulier de chute de la température et de la densité de l'Univers, les photons ont pû se découpler de la matière et commencer à voyager dans l'espace librement. Ce rayonnement décrit comme fossile n'a été cartographié que par des satellites d'observation dans le domaine des micro-ondes Cobe,WMAP puis Planck. Cette limite observationnelle donne un aspect d'horizon cosmologique, rien ne peut être observé au delà quelque soit la puissance de l'instrument. Par analogie, depuis les côtes bretonnes, vous n'avez aucun espoir d'observer la statue de la Liberté de New York avec une longue-vue même très puissante à cause de l'horizon produit par la courbure de la Terre.
Le télecope spatiale de 6 mètres de diamètre ( le James Webb telescope ) va chercher les premières étoiles et les premières galaxies qui doivent être proches du fond cosmologique, estimé être à quelque centaines de millions d'années-lumière après. Plus on observe des galaxies loin et plus on les observe au plus près du début de l'Univers. Les galaxies observées au plus près de la Terre seront vues à une époque plus contemporaine. L'objet astronomique le plus proche de nous est la Lune , à environ 300000 kms , l'image de la Lune observée est celle de la Lune d'il y a une seconde ( temps mis par les photons du Soleil réfléchis sur la surface lunaire pour parvenir jusqu'à nous ) . La lumière du Soleil met 8 minutes pour nous parvenir et plusieurs années pour les étoiles les plus proches !
Observer loin c'est observer du passé !
Avec un matériel décrit en page "Matériel partie pratique", on peut explorer une partie de notre Galaxie , voir la page "Notre Galaxie La Voie Lactée", mais aussi les galaxies qui nous entourent , voir la page "Le milieu extra-galactique".
Nous pouvons détecter des photons émis il y a bien longtemps dans le passé, de quasar comme 3C273 au moment où la vie sur Terre n'était présente que dans l'océan sous forme microscopique il y a 2 milliards d'années; D'un quasar double il y a 7 milliards d'années quand la Terre et même le Soleil n'existait pas encore ou d'un quasar de plus de 12 milliards d'années quand notre Galaxie était peut-être aussi un quasar.

3) Histoire de la découverte de l'Univers :
Les dates les plus importantes ( de mon point de vue ) de l'avancée dans le compréhension de l'Univers y sont citées. Ce qui est extraordinaire dans les capacités intellectuelles de l'homme est la capacité de construire étape par étape la description du monde qui l'entoure en fonction des découvertes des savants prédécesseurs de chaque époque.

3.1) Au temps où la Terre était au centre de l'Univers mais n'était plus plate

Il y a plus de 2600 ans , la Terre était considérée comme plate, entourée par un océan et le défilement des astres était une projection de lumières sous la voute céleste. Tous les phénomènes physiques étaient expliqués par les Dieux... les astres étaient en étroite relation avec les divinités, par exemple pour les dieux romains (et les dieux grecs ) : le Soleil (Hélios ) , la Lune (Artémis déesse de la chasse ) , Mercure ( Hermès messager des Dieux ) Vénus (Aphrodite déesse de l'amour ) Mars ( Arès dieu de la guerre ) Jupiter (Zeus dieu des dieux ) Saturne (Chronos dieu du temps ) , même la Terre était Gaïa déesse de la Terre ...

En 570 ans avant JC : le philosophe grec Anaximandre de Millet comprend que la Terre flotte dans l'espace, il répond que la Terre ne peut pas tomber car les objets qui tombent, tombent vers la Terre... C'est étrange aujourd'hui de penser qu'avant lui, personne n'avait compris que les astres qui se couchaient le soir à l'ouest étaient les mêmes astres qui se levaient plusieurs heures après à l'est et ainsi de suite ... La terre imaginée sous la forme d'un cylindre ( et sans tourner sur lui-même en 24h) est au centre de l'espace au milieu des astres qui tournent autour d'elle. Par analogie, l'expérience était simple et évidente : Anaximandre, assis sur le perron de sa demeure ( face au Sud ) demande à un de ses élèves de tourner tout autour, le maître voit son élève partir à droite (côté ouest ) , disparaitre derrière les murs , le voit réapparaitre par la gauche ( côté Est ) , il circule devant lui et ainsi de suite ... La maison est la Terre, Anaximandre est un observateur , son élève est un astre.
Avec Anaximandre, c'est le début de l'étude des phénomènes naturels sans être expliquées par la volonté des Dieux.
( Carlo Rovelli, astrophysicien contemporain a écrit un livre remarquable et complet sur ce premier grand évènement d'explication du Monde "Anaximandre de Milet ou la naissance de la pensée scientifique" ).

En 530 avant JC : La Terre est considérée sphérique, suite notamment à l'observation des éclipses de Lune : l ombre de la Terre se projète sur la surface lunaire. Le diamètre de la Lune est évaluée 3 à 4 fois plus petite que le diamètre de la Terre ( en considérant que le Soleil est à une distance beaucoup plus éloignée que la distance Terre-Lune , la seule conclusion tirée de l'échec des essais de la mesure de la distance Terre-Soleil réalisés dans l'antiquité est que cette distance doit être très grande )

Photo d'une éclipse partielle de Lune, en épousant le contour de l'ombre de la terre sur la pleine Lune, on dessine un cercle qui correspondrait grosso modo à la taille de le Terre. Si vous n'avez pas la chance de voyager un jour dans l'espace pour contempler la Terre de loin, il ne reste plus que la solution de voir ''en partie '' sa planète se projeter en ombre chinoise sur notre satellite.

- 273-192 av JC : Erastosthène mesure avec précision la circonférence de la Terre : c'est une mesure historique qui a été réalisée à une époque où beaucoup de continents étaient inconnus et que personne n'avait fait de tour du monde ! La circonférence de la Terre a été déduite du calcul d'un arc de méridien d'un cinquantième de cercle entre Syène ( Assouan ) et Alexandrie. Il suffit de connaitre la distance entre ses deux sites et de mesurer précisément la longueur minimum de l'ombre d'un obélisque vertical d'une hauteur connue, le 21 juin à Alexandrie ( Le 21 juin, le Soleil culmine au zénith au milieu de la journée à Syène, il n'y a aucune ombre à cet endroit et à cet instant ). La trigonométrie est l'outil mathématique qui permet de calculer l'angle de l'ombre depuis le sommet de l'Obélisque qui est le même angle que celui formé entre Syène - Le Centre de la Terre - et Alexandrie. L'unité de longueur d'époque utilisée était le stade équivalant à 157,5 mètres. La distance connue entre Syène et Alexandrie est de 5000 stades, cette distance multipliée par cinquante donne une circonférence terreste de 250000 stades soit 38375 kms.

- 290 ans av JC : Aristarque de Samos décrit le système héliocentrique; il y a plus de 2300 ans, certains savants avait déjà compris et envisagés que la Terre tournait sur elle-même en une journée mais aussi autour du Soleil en 365 journées. Mais pour donner une importance d'existence à l'espèce humaine, les philosophes et les religieux se sont orientés sur le système géocentrique décrit par Aristote et un système géocentrique plus précisément décrit ( et complexe ) par Ptolémée.

3.2) Au temps où le Soleil est devenu le centre de l'Univers

Deux voyageurs célèbres du 15ème et 16ème siècle, ont bien appliqués les connaissances des anciens au sujet de la sphéricité de la Terre. En voulant atteindre les Indes orientales par l'ouest, Christophe Colomb a rencontré le continent américain en 1492. En poursuivant le projet inabouti de Colomb, le navigateur Ferdinand de Magellan a entrepris avec 237 hommes et cinq navires le 10 août 1519, l'épopée la plus extraordinaire et dramatique de tous les temps d'avoir réalisé le premier tour du monde. Seul un seul navire "Le Victoria" est revenu le 6 septembre 1522 à Séville et au total seuls 35 hommes ''survivants'' ont fait le tour du monde, même Magellan sera tué durant l'expédition.

Le Nao Victoria au port de St-Raphaël en mars 2023,
réplique du navire Victoria qui a accompli le premier tour de la Terre ( le plus grand exploit de tous les temps ! )

Le système de Ptolémée est critiqué en fonction d'incohérences observationnelles ( comment expliquer la variation de luminosité des planètes externes qui sont censées être à égale distance tout au long de leurs rotations autour de la Terre ? )
Nicolas Copernic , va dans ce contexte révolutionner son époque, son oeuvre ' des Révolutions des sphères célestes ' est imprimée l'année de sa mort en 1543. Il expose un système héliocentrique qui est plus simple et plus logique que le système géocentrique.
Il faut rappeler les remarques intéressantes de Thomas Diggs vers 1576, qui pensent que les étoiles sont dispersées dans l'espace infini ( explication de la différence de luminosité des étoiles sur la 'sphère des fixes' ), dans ce cas comment imaginer qu'une étoile situé vers l'infini peut tourner autour de la Terre en 24 heures ?
Tycho Brahé développe une observation plus précise que ces prédécesseurs. Il remet en cause l'immuabilité du monde supra-lunaire d'Aristote par les observations d'une supernova ( pourquoi une nouvelle étoile apparrait soudainement ? ) et d'une grande comète qui n'est pas un phénomène atmosphérique. Tycho Brahé ne croit pas à Copernic et il développe un système 'hybride' où toutes les planètes tournent autour du Soleil mais la terre reste immobile.

Le métaphysicien Giordanno Bruno défend le système copernicien et le fait que l'Univers est infini ... ca ne plait pas à l'église qui va le faire brûler vif sur la place Campio del fiori à Rome en 1600.

Statue de Giordanno Bruno sur la place Campo del Fiori à Rome

- 1609 est la date qui parle le plus aux astronomes amateurs : Galilée observe les astres derrière une lunette. Ce n'est pas l'inventeur de la lunette mais il est le premier scientifique reconnu ayant étudié le ciel avec cet instrument. il y a seulement un peu plus de quatre siècles, un homme découvre pour la première fois de nouvelles étoiles et voit des objets jamais vu jusqu'alors. Ces observations vont apporter des preuves de la fausseté du modèle de Ptolémée.
L'observation des phases de la planète Vénus, prouve que cette dernière tourne autour du Soleil.
La découverte des satellites galiléens autour de Jupiter, prouve que les petits corps gravitent autour d'un gros.

Ces 3 photos prises avec un appareil photo numérique compact avec zoom de 30X, représentent l'aspect estimé des paysages lunaires, des 4 satellites gravitant autour de Jupiter et des phases de Vénus que Galilée observait derrière ses premières lunettes du début du 17ème siècle. Aujourd'hui, la moindre petite lunette pour débutant est de bien meilleure qualité !

Les instruments se perfectionnant de plus en plus et les observateurs devenant de plus en plus nombreux , l'Univers ne va cesser de s'agrandir à la vue des astronomes...

En étudiant le mouvement des satellites de Jupiter, Olaüs Roemer constate que les éclipses des satellites se produisent avec un retard de plusieurs minutes en fonction que la Terre est situeé plus ou moins loin de Jupiter. Cette différence de temps provient de la distance que met l'information lumineuse à parvenir à l'observateur si la Terre est au plus proche de Jupiter ou au plus loin.
L'astronome danois a démontré que la lumière n'est pas instantanée et qu'elle a une vitesse finie évaluée à l'époque autour des 230000 kms/sec. ( La vitesse réelle de la lumière dans le vide est de 300000 kms/sec, la lumière des astres met donc du temps à voyager jusqu'à nous )

L'anglais Isaïc Newton décrit la loi de la gravitation universelle qui peut expliquer à la fois la chute d'un objet vers le sol (comme la pomme qui est l'objet fétiche newtonien ) et la révolution d'un satellite autour de sa planète (comme la Lune autour de la Terre ).

Les distances des planètes du système Solaire sont bien connues dans l'unité astronomique (l'UA qui est la distance du demi-grand axes de la terre au soleil). Mais qu'elle est la distance précise de la Terre au Soleil.
Les transits de Vénus devant le Soleil vus depuis plusieurs points différents sur Terre vont permettre d'obtenir une valeur intéressante de l'Unité Astronomique.

Photo du transit de Vénus devant le Soleil du 8 juin 2004 à Lyon ( canon 350D au foyer d'une lunette de 80mm et 480mm de focale protégée d'un filtre mylar )
L'observation du transit de Vénus devant le Soleil est un phénomène rare car les derniers transits ont eu lieu en 2004 et en 2012 et il faudra attendre 2117 et 2125 pour les prochains transits ...

3.3) Au temps où la Voie Lactée était l'Univers - le début de l'étude des étoiles

Le Soleil est vu au centre de la Galaxie qui est considéré comme étant l’Univers. Les astronomes n’ont aucune idée des dimensions de la Galaxie ou de la Voie Lactée.

Le 19ème siècle sera marqué par de grands progrès scientifiques et technologiques qui verra la naissance de l’astrophysique.

1838 est l’année des premières mesures de la distance des étoiles par la méthode de la parallaxe annuelle. Enfin, une distance est attribuée aux fixes. Les étoiles les plus proches sont à des distances extrêmement plus lointaines que ne l’est la planète la plus éloignée de la Terre. Après la découverte visuelle d’Uranus par William Herschell en 1781, Neptune a été découverte aux coordonnées données par urbain LeVerrier en 1846, grâce à de longs calculs effectués suivant les lois de la mécanique gravitationnelle ( les observations de la perturbation de la trajectoire d’Uranus suggéraient la présence d’une 8ème planète ).

Bessel est le premier à avoir calculer la première distance d’une étoile, celle de 61 du Cygne avec 0,37’’ ; Struve détermina 0,1 ‘’ pour Véga. C’est à l’observatoire du Cap que fut connu la plus grande parallaxe pour Alpha du Centaure avec 0,76’’ ce qui donne une distance de la Terre de 271400 UA (La planète la plus lointaine du système solaire Neptune est à environ 30 UA du Soleil).

Le début de la mesure de l’Univers a également commencé. Les premières constatations sont que les étoiles sont très éloignées les unes des autres et que l’espace est constitué essentiellement de vide ou d’éther, une fine substance qui est capable de propager la lumière : c’était une hypothèse à la mode avant le début du 20ème siècle.

Joseph van Fraunhofer est un opticien-physicien allemand qui invente le spectroscope. Il découvre des raies sombres dans le spectre du soleil. Il observe des spectres des étoiles brillantes, qui sont différents au Soleil. Il observe les spectres des planètes qui sont quasiment identique au Soleil, c’est la preuve que les planètes reflètent la lumière solaire.

Kirschoff et Bunsen décrivent les éléments chimiques vus dans le Soleil, grâce aux spectres d’éléments chimiques reproduits en laboratoire.

Dès 1848, Doppler et Fizeau découvre par le décalage des raies spectrales, la vitesse d’éloignement ou de rapprochement d’une source ainsi mesurée.

Les physiciens Kirchoff, Stephan, Boltzmann, Wien puis Max Planck vont permettre grâce à l’analyse de l’intensité du spectre dans les différentes longueurs d’ondes, de mesurer la température de surface d’une étoile, ainsi nait une nouvelle discipline : l’astrophysique.

Les instruments vont se perfectionner et s’améliorer. Foucault va inventer le télescope moderne, il construit en 1862 un télescope équatorial équipé d’un miroir de 80cm de diamètre en verre argenté plus performant qui supplante le miroir en métal, difficile à tailler et à entretenir.

La révolution sera l’invention de la photographie. La lune est photographié en 1840, l’étoile Véga en 1850 et un spectre en 1880.
L’observatoire de Harvard sera à la pointe en réalisant des plaques photographiques de champs d’étoiles et de spectres. Picking, va organiser une équipe féminine performante et rentable, pour analyser et cataloguer le ciel entier. Une séquence principale d’étoiles sera définie comme OBAFGKM.

Après synthèse des mesures de distances par parallaxe annuelle, de la réalisation des spectres, de la détermination des températures de surface puis de la luminosité; Hertzprung et Russell vont réaliser un diagramme qui permettra d’étudier les populations d’étoiles.

Depuis Charles Messier et son premier catalogue d’une centaine d’objet du ciel profond, Herschell a poussé la collecte à 2500 objets. Les photos de plus en plus détaillées des nébuleuses permettent d’identifier des nébuleuses spirales surtout présentes dans les régions moins peuplés en étoiles ( à l’écart de la Voie Lactée ).

3.4) Au temps où la Voie Lactée est devenue une galaxie parmi des milliards d’autres

Henrietta SwanLeavitt a été la femme par-qui tout a commencé. Travaillant à l’observatoire de Harvard, elle a publiée en 1912 un article qui a donné la solution pour mesurer l’éloignement d’objets situés bien au-delà des plus proches étoiles autour de la Terre. Au cours du vingtième siècle, l’Univers va tout de suite être bien plus grand !

Son travail est de détecter sur des plaques photographiques des étoiles variables. En étudiant des photos du Petit Nuage de Magellan, elle découvre des variables Céphéides et constate que les plus brillantes ont les plus grandes périodes. Considérant toutes les étoiles du Petit Nuage à égale distance de la Terre, son article démontre une relation entre la luminosité et la période de ces étoiles variables. Elle suggère même que si nous connaissons la distance d’une étoile de ce type plus près de la Terre (mesurable par la parallaxe), il y aurait possibilité de connaitre la distance de n’importe quelle étoile céphéide repérée et étudiée. Une Céphéide serait une « chandelle standard », très utile pour fixer la luminosité intrinsèque de l’étoile (car sinon , il n’y a pas de possibilité de savoir si une étoile est faible mais proche, ou lumineuse mais éloignée !).

En 1913, le danois Ejnar Hertzsprung puis Harlow Shapley en 1918, tentent de déterminer la distance de plusieurs variables Céphéides pour calibrer la relation luminosité-période de Leavitt. Suite à la difficulté de la tâche, la calibration sera mauvaise jusqu’en 1952 quand la calibration sera révisée par Walter Baade.

En attendant qu’arrive le temps de calibrations plus précises, Edwin Hubble détecte une céphéide dans une photographie de la grande nébuleuse d’Andromède M31 en 1923, réalisée au foyer du tout nouveau télescope de Hooker de 100 pouces (2,54 mètres de diamètre) du Mont Wilson, qui est le plus grand instrument de l’époque. Il va déterminer la distance de M31 à 900 000 années-lumière qui est très éloignée et devient une galaxie spirale distincte de la nôtre. Il existe une quantité d’autres galaxies encore plus éloignées.

Hubble va étudier les galaxies pour les classer et mesurer leurs distances par d’autres méthodes que les Céphéides car les étoiles ne sont plus discernables sur les clichés des galaxies plus lointaines. En réalisant des spectres de galaxies, des raies d’absorption identifiées se décalent vers le rouge (Redshift). Par l’effet Doppler-Fizeau, on conclut que les galaxies s’éloignent de nous. En 1929, c'est la confirmation pour Hubble, qui s'est appuyé sur les observations de Vesto Slipher dès 1912 ,( 4 galaxies se rapprochent et 21 nous fuient ), et ensuite d'Humason son assistant ( avec 38 galaxies fuyantes supplémentaires ).

Hubble va éditer sa célèbre loi liant les vitesses de fuite des galaxies en fonction de leurs distances. En mesurant le Redshift d’un spectre de galaxie, on pourra connaitre sa distance. En raison de la mauvaise calibration de départ de la méthode des Céphéides, la constante de Hubble qui permet de calculer la distance des galaxies vaut 500 Km/s/Mpc. Après 1952, la constante H0 sera estimée entre 50 et 100 Km/s/Mpc puis proche de 70 Km/s/Mpc en 1990.

3.5) Au temps où le modèle d'évolution d'Univers dynamique est devenu le Big Bang

Au cours de l’année 1905, Albert Einstein (1879-1955) publie 5 articles dont l’un est la théorie de la relativité restreinte : l’espace est lié au temps, la vitesse de la lumière est une valeur absolue, rien ne peut la dépasser même pas une lumière émise depuis un engin en mouvement.

Il montre que si un corps libère une énergie sous forme de lumière alors sa masse diminue d’une quantité E/C² et publie sa célèbre équation de E=mC².

Cire d'Albert Einstein à Chaplin's World, Veuvey en Suisse

En 1907, il a sa ‘plus heureuse idée de sa vie’ : il comprend qu’un corps en chute libre ne ressent pas son propre poids.

Il écrira ensuite le principe d’équivalence : l’effet de la gravitation sur un corps est le même qu’une accélération continue de ce corps. En 1911, il fait une expérience de pensée où il s’imagine dans une cabine accélérée dans l’espace, il ouvre une petite ouverture qui laisse un faisceau lumineux traverser la cabine, la lumière ayant une vitesse finie atteint l’autre côté pas exactement en face mais à un point plus bas, la lumière est vue courbée !

En utilisant le principe d’équivalence, il en déduit que la gravitation doit courber la lumière, qui n’a pourtant pas de masse ! La gravitation provoquée par la masse courbe l’espace-temps et la lumière suit alors son chemin sur l’espace-temps modifié.

Avec l’aide précieuse d’un ami mathématicien Marcel Grossmann maitrisant les géométries non euclidiennes, Einstein va pouvoir publier en 1915 la théorie de la relativité générale qui remplace les forces mutuelles de Newton (qui ne peuvent s’exercer à distance à une vitesse infinie) par une géométrie de l’espace-temps modelée par la masse qui sera l’actrice des effets de la gravitation.

En 1917, Einstein va décrire avec la relativité générale, un modèle d’univers fermée au sein d’une hyper-sphère mais statique !

Cette théorie a été validée grâce à la mesure de la déviation ( faible de l’ordre de la seconde d’arc ! ) d’étoiles passant très prêt du Soleil totalement éclipsé en 1919 par l’expédition d’Eddington. L’effet de la déviation de rayons lumineux est aussi la prévision des mirages gravitationnels qui seront observables bien plus tard à partir de 1979.

Eclipse Solaire du 29 mars 2006 au Niger

Alexandre Friedmann (1888-1925) est un brillant mathématicien russe, qui après avoir appris la relativité générale, va l’appliquer pour décrire différents univers théoriques dynamiques, comme un univers en expansion puis en contraction en 1922 ou un univers en expansion infini en 1925, année de sa disparition.

l’abbé Georges Lemaître, chanoine, astronome et physicien belge (1894-1966) va exercer les mêmes travaux que Friedmann, mais en prenant connaissance des dernières découvertes astronomiques en 1927, il est le premier à expliquer le rapport constant entre la distance et la vitesse de fuite des galaxies découverte par Hubble.

A cette époque, les plus lointaines galaxies atteignent le dixième de la vitesse de la lumière, comment expliquer dans une théorie de la gravitation newtonienne où l’espace est absolu le déplacement extrêmement rapide d’un immense amas d’étoiles ? Avec la Relativité Générale, le contenant de l’univers ( l’espace ) peut varier en taille, s’ il augmente alors les objets présents dedans vont suivre la course de l’espace en expansion !

Il émet ensuite l’hypothèse de l’Atome primitif pour décrire la naissance de l’Univers. Il soupçonne même qu’un rayonnement cosmique porterait la trace des évènements initiaux.
En 1951, il se démarque du discours du pape Pie XII qui évoque la théorie de l’explosion originelle de l’Univers comme le Flat Lux du récit de la création. Il est à noter que beaucoup d’astronomes ont eu des à priori vis-à-vis de cette théorie jugée un peu trop biblique.

La découverte du fond diffus cosmologique va avoir un impact important et décisif. Prévu dès 1948 par Georges Gawmow, Ralph Alphs et Robert Hermann, ils prédisent une étape importante de l’évolution du très jeune Univers qui est une phase de découplage entre la lumière et la matière. C’est l’existence du fond diffus cosmologique, du premier rayonnement détectable de l’Univers émis 380000 ans après sa naissance. Il est très homogène, diffus et observable dans toutes les directions dans le ciel. En 1964 les américains Arno Penzias et Wilson vont le découvrir par hazard en mettant au point une antenne de type Cornet dans le New Jersey, travaillant pour les laboratoires Bell.

Les partisans de la théorie de l’état stationnaire doute de l’explication du bruit de fond, mais l’analyse du spectre thermique du fond diffus lève les doutes en l’identifiant à merveille à celui d’un corps noir. Le décalage spectrale vers le rouge des galaxies a aussi été critiqué en expliquant une théorie de la lumière fatiguée à travers son voyage dans l’espace mais l’analyse des courbes de luminosité de supernovas lointaines entre autres a démontré la véracité du décalage spectrale.

Cette confrontation scientifique a été saine : si des propositions contraires à une théorie n’arrivent pas à s’imposer alors cela renforce un peu plus la théorie critiquée.
Le britannique Fred Hoyle , est connu pour avoir participé à la rédaction de l’article B2FH ( Margaret et Geoffrey Burbidge, William Fowler et Fred Hoyle ) qui décrit des processus de nucléosynthèse ( production d’éléments chimiques dans les étoiles ). Fred Hoyle, le plus célèbre partisan de la théorie de l’état stationnaire contre le modèle d’évolution dynamique de l’Univers, va pourtant inventer le Big-Bang !

En effet, au cours d’une émission radiophonique, il utilise l’expression ‘’ Grand Boum’’ en vue de ridiculiser la théorie combattue !

Le terme Big-Bang restera le terme définitif et percutant pour décrire l’expansion de l’Univers depuis ses débuts, le modèle du Big-Bang s’imposera définitivement dans les années 1970. Le terme Big-Bang n’est pas le mieux choisi pour vulgariser cette théorie car on peut s’imaginer une explosion d’un pétard de feu d’artifice qui s’étend dans un vide initialement présent. L’univers n’est pas un contenu qui s’étend dans un contenant ( référence à la mécanique newtonienne ) mais à un contenu ( l’énergie-matière ) et un contenant ( l’espace – temps ) qui s’étendent mutuellement ( référence à la relativité générale).

Beaucoup d’autres arguments pour le Big-Bang existent comme la nucléosynthèse primordiale ( article alpha, beta , gamma dont Georges Gamow s’est encore bien illustré ), l’explication de la présence plus importante dans le passé de radio-galaxies, dont les quasars, découverts dans les années 60 font partie et bien sûr l’absence de tout objet ayant un âge supérieur à celui de l’Univers ....

3.6) Au temps où le Système Solaire a cessé d'être l'unique Système planétaire de l'Univers

Ce n'est que dans les années 1990 que les premières planètes d'autres étoiles sont détectées. Elles sont appelées des Exoplanètes. Avant cette période, beaucoup d'astronomes pensaient qu'elles existaient mais aucune technologie observationnelle ne permettait de le prouver.

Certains astronomes avaient même la prétention d'envisager que le Système Solaire était unique et que la formation d'un système planétaire autour d'une étoile était improbable ...

En 1995, Michel Mayor et Didier Queloz, astrophysiciens suisses , ont prouvé le contraire en identifiant la première planète autour d'une autre étoile , 51 Pegasi b en utilisant le spectrographe Elodie installé à l'Observatoire de Haute-Provence.

Observatoire de Haute-Provence (OHP) à St-Michel-l'Observatoire, où a été détecté la première exoplanète en 1995 au T193

28 ans plus tard, la somme des découvertes d'exoplanètes se monte à plusieurs milliers ...

Quatre siècles plus tôt, Giordano Bruno avait l’idée que toutes les étoiles étaient des Soleils qui abritaient des mondes habités … C’était son concept de pluralité des mondes habités …

Des programmes de recherche de signaux extraterrestres, ont découvert qu’il n’y a pas de traces de civilisations technologiques autour de nous. Après l’exploration du Système Solaire au cours du 20ème siècle, il n’y a point de vie à la surface de la Lune, Vénus et Mars…

La découverte de traces de vies ailleurs que sur Terre, sera un évènement majeur. Les scientifiques estiment qu’une trace de vie peut être indirectement détectée par l’analyse spectrale de l’atmosphère d’une exo-planète (exemple : si de l’O2 est détectée, c’est qu’une forme de vie microbienne prolifère sur cette planète à l’image des stromatolithes qui ont contribués à enrichir l’atmosphère terrestre il y a 3,5 milliards d’années ).

Les recherches n’ont pour l’instant abouti qu’à la découverte d’une seule planète qui abrite la vie : c’est la planète qui nous attire au sol tous les jours !

Suite à l’étude du développement de la vie, cette dernière est apparue assez tôt et ça laisse envisager que si tous les éléments sont présents alors l’apparition d’une vie microscopique est facile à provoquer.
Elle a mis cependant quelques milliards d’années à se développer pour devenir un organisme multi-cellulaire plus complexe, cette étape parait beaucoup plus difficile à réaliser et pour certains biologistes cela tient presque du miracle !
Ensuite, depuis les dernières centaines de millions d’années, la vie a explosé en taille, en forme, depuis les mers jusqu’aux airs…
Très récemment (à l’échelle des 4,5 milliers d’âge de la Terre), un mammifère est devenu un primate se développant comme un singe très intelligent qui a fini par conquérir tout son territoire et appréhende à présent tout l’Univers l’entourant comme infini !

Donc, l’idée qu’une seule et unique planète sur l’ensemble des X milliards de planètes de l’univers (base statistique construite sur l’étude et l’inventaire des exoplanètes découvertes), ait vu toutes les étapes de l’évolution du vivant et qu’aucune autre planète n’ait vu même pas le franchissement du seuil de la première étape … est illogique ou incompréhensible …

Quasiment tous les spécialistes s’accordent à penser que la vie existe forcément ailleurs, qu’elle reste à être découverte pour être validée scientifiquement, mais il ne faut pas s’attendre à ce qu’elle ressemble à des extra-terrestres ressemblant aux personnages des films de science-fiction !
A ce propos, concernant les apparitions de soucoupes volantes la nuit, il est curieux de noter qu’aucun astronome amateur ou pro n’aient fait ce type de rencontres ? Pourtant, c’est ce type d’individu qui passe énormément de temps à observer le ciel dehors et à comprendre un petit peu ce qu’il voit !

3.7) Aujourd'hui, au temps où la connaissance sur l'Univers est considérable et pourtant ...

Depuis les années 1990, les télescopes sont passés du gabarit des 3-4-5 mètres de diamètre aux télescopes des gabarit des 8 mètres ( comme les 4 télescopes de 8 mètres d’un miroir unique, du Very large télescope au Cerro Paranal au Chili ) ou des télescopes de 10 mètres ( comme les 2 télescopes Keck de 10 mètres composé de plusieurs miroirs , situés au sommet du Mauna Kea à Hawaii ) ; des technologies ont été développés pour permettre d’augmenter la taille des miroirs.

L’optique active permet grâce à l’action de vérins sur le miroir primaire de corriger les déformations mécaniques provoquées par la gravité.

L’optique adaptative permet d’effectuer des actions toujours via des vérins ,jusqu’à 1000 fois par seconde sur le miroir secondaire, les actions provoqués ont été calculés en direct après analyse d’une étoile artificielle construite à partir de lasers, pour compenser les effets néfastes de la turbulence de l’air ( une ennemie jurée avec la pollution des lumières artificielles pour toute observation de haute résolution ).

Pour éliminer totalement la turbulence , il faut satelliser des télescopes, c’est chose faite avec le lancement d’un télescope de 2,5 mètres connu sous le nom de Hubble Space Telescope en 1990 puis un télescope plus ambitieux de 6 mètres lancé 31 ans plus tard. L’autre grand avantage des télescopes spaciaux est d’observer les astres à des longueurs d’ondes qui ne sont absorbés par l’atmosphère terrestre comme les rayons gamma, X, UV , infrarouge et micro-ondes radio.

Visite du VLT en 2000, Very Large Telescope , ESO, Cerro Paranal au Chili
Réseau de 8 télescopes, dont 4 télescopes de 8,2 mètres de diamètre

Un autre type d’observatoire qui a vu le jour récemment, n’observe pas du rayonnement électro-magnétique mais des déformations très infimes de l’espace provoqués par des fusions de trous noirs, l’évènement est tellement cataclysmique qu’une partie de l’énergie dégagée fait déformer l’espace-temps qui se propage jusqu’à la Terre !
Les observations récoltées sont colossales, les astrophysiciens et les cosmologistes sont entrés récemment dans une astronomie de précision qui doit gérer du Big Data colossal.

Fritz Zwicky (1898-1974), astronome suisse, a soulevé en 1933, le fait qu’il n’y a pas assez de masse dans les amas de galaxies pour maintenir grouper ensemble toutes les galaxies.

Vera Rubin (1928-2016), a exposée en 1978 avec d’autres spécialistes, suite à la mesure de rotation d’étoiles à différentes distances du centre galactique, qu’elles tournent toutes à environ la même vitesse, alors qu’en fonction de la masse estimée du nombre d’étoiles, la vitesse de rotation devrait décliner en fonction de l’éloignement du centre de la galaxie. A la périphérie des galaxies, un halo de matière doit exister pour expliquer la stabilité des vitesses de rotation.

La matière noire, aujourd’hui nommée est la matière de type encore inconnue, qui manque autour des galaxies et des amas de galaxies. Elle n’interagit pas avec la matière baryonique ( noyaux atomiques ) et avec tout type de rayonnement.

En 1998, deux équipes internationales, engagées dans l’étude des supernovas ( de type Ia dont la magnitude absolue est connue ), ont mesuré avec précision les distances des galaxies lointaines et ils sont arrivés à la conclusion que depuis plusieurs milliards d’années, l’univers en expansion s’accélère ! L’énergie baptisée ‘’noire ‘’ car encore non connue, augmente encore plus la répulsion entre les galaxies.

Un bilan final stipule que l’univers est constitué de seulement près de 5% de matière connue, d’environ 27% de matière noire donc inconnue et de 68% d’énergie noire tout aussi inconnue…
Tous les professionnels de la physique de toutes disciplines ( des particules à la cosmologie ) ont encore beaucoup de travail !

Une certaine modestie doit nous saisir pour comprendre que malgré les découvertes fantastiques réalisées depuis l’antiquité, tout ne peut être encore compris et que l’Univers garde encore beaucoup de mystères !

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dernière mise à jour : 2024-07-19

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