Physique Chimie
Co ur s- 0 1
Une première représentation de notre univers
Albert Einstein: "Il n pour l
1- Notre Univers
La notion d'univers est toute relative.
La Terre est l'une des 8 planètes de notre système solaire. Celui ci est constitué d'une multitude d'objets divers (Mini planètes, Astéroides, Comètes, ...).
Notre Galaxie, appelée Galaxie de la Voie Lactée, regroupe une multitude d'étoiles et de systèmes solaires.
A première vue, toutes les étoiles semblent être piquées, immobiles sur la voûte céleste. Et pourtant, sous ce calme apparent, se cache un monde agité de vitesses inimaginables.
Les astronomes constatèrent très tôt qu'une bande blanchâtre comme du lait barrait le ciel. Ils l'appelèrent "Galaxie", du nom grec galaktos qui veut dire lait. A l'aide d'une lunette ou d'un télescope, on s'aperçoit que cette galaxie, "Notre Galaxie", est constituée d'une myriade d'étoiles formant un disque aplati, et si serrées que nous avons l'impression de voir une bande lumineuse uniforme. La voie lactée et Notre Galaxie, c'est la même chose.
Les astronomes ont pu évaluer le nombre d'étoiles de notre Galaxie en la "pesant". En effet, si on connaît la masse de notre Galaxie et la masse d'une étoile, on peut en déduire le nombre d'étoiles par une simple division.
Mais comment peut-on peser une galaxie?
Les lois de la physique nous permettent de mesurer la masse d'une galaxie en mesurant l'action qu'a cette masse sur un corps comme le Soleil. C'est une opération délicate mais possible.
De la même manière, notre Soleil tourne autour du centre de la Galaxie. La mesure de sa vitesse nous renseigne sur la force nécessaire pour le maintenir en équilibre. Cette force est produite par la masse de toutes les étoiles. Nous pourrons déduire ainsi la masse de toutes les étoiles de notre Galaxie et ainsi le nombre total d'étoiles (si vous connaissez le poids d'un sac de pommes et le poids d'une pomme vous pourrez connaître le nombre de pommes contenues dans le sac sans les compter).
Le résultat est étonnant: 100 à 300 milliards d'étoiles. Si nous voulions les compter toutes, une par une, il nous faudrait compter sans interruption pendant 30 siècles.
En résumé, notre Galaxie est une gigantesque nuée d'étoiles formant un disque aplati en rotation. Vue depuis notre système solaire elle apparaît comme une bande claire, la Voie Lactée.
Il est fascinant en se promenant la nuit sous un ciel étoilé de s'imaginer que cette bande blanche est un disque de milliard d'étoiles tournant toutes ensembles. Cette bande s'étend
jusque dans l'hémisphère sud, l'hémisphère austral, celui que l'on peut voir depuis l'Amérique du sud ou l'Australie.
2- De l'atome aux Galaxies
L'univers s'étend de l'infiniment petit à l'infiniment grand, la référence étant la taille de l'homme dont l'ordre de grandeur est le mètre.
Dans l'infiniment petit on retiendra les structures telles que les atomes et les molécules, en n'oubliant pas qu'il existe des objets encore plus petits tels que les particules élémentaires (proton, neutron et électron).
Dans l'infiniment grand on retiendra les étoiles, les planètes, les satellites de ces planètes, les astéroïdes et les comètes. Les étoiles sont regroupées dans des galaxies dont il en existe un très grand nombre.
Voici présenté ici un voyage dans l'Univers de la plus petite distance à la plus grande.
10-35 mètre
C’est la longueur de Planck (longueur limite de la physique quantique, au- delà l'Espace-temps n'a plus de sens...).
10-18 mètre ou 1attomètre
C’est la taille d'un Quark.
10-16 mètre ou 100 attomètres
C’est la distance à laquelle on peut voir les quarks.
Ce n'est qu'en 1975 que les quarks furent détectés expérimentalement.
10-15 mètre ou 1 femtomètre ou fermi
C’est la distance à laquelle on peut voir un nucléon, constituant du noyau atomique (neutron ou un proton).
10-14 mètre ou 10 femtomètres ou fermi
C’est la distance à laquelle on peut voir le noyau d'un atome.
10-13 mètre ou 100 femtomètres ou fermi
C’est la distance à laquelle on peut voir l'intérieur d'un atome (élément de base de la matière).
10-12 mètre ou 1 picomètre
C’est la distance à laquelle on peut voir l'orbite de l'électron.
10-11 mètre ou 10 picomètres
C’est la distance à laquelle on peut voir l'électron avec son atome.
10-10 mètre ou 1 angström ou 100 picomètres
C’est la distance à laquelle on peut voir l'atome de carbone. Autour du noyau gravite un ensemble de particules identiques (les électrons). Les dimensions de ce nuage électronique qui sont de l'ordre d'un angström, correspondent à celles de l'atome.
10-9 mètre ou 10 angströms ou 1 nanomètre
C’est la distance à laquelle on peut voir plus de détails sur les chromosomes.
10-8 mètre ou 10 nanomètres
C’est la distance à laquelle on peut voir la chaîne ADN.
L’acide désoxyribonucléique (souvent abrégé en ADN) est une molécule que l'on retrouve dans tous les organismes vivants. L'ADN est le support de l'hérédité car il constitue le génome des êtres vivants.
10-7 mètre ou 100 nanomètres
C’est la distance à laquelle on peut voir la chaîne des chromosomes.
10-6 mètre ou 1 micromètre ou 1 micron
C’est la distance à laquelle on peut voir une cellule entièrement.
10-5 mètre ou 10 microns
C’est la distance à laquelle on peut voir plus de détails sur les cellules d'une feuille.
10-4 mètre ou 100 micromètres ou 100 microns
C’est la distance à laquelle on peut voir les cellules de la feuille.
10-3 mètre ou 1 millimètre
C’est la distance à laquelle on peut voir plus de détail sur la structure d'une feuille.
10-2 mètre ou 1 centimètre
C’est la distance à laquelle on peut voir la nervure d'une feuille.
10-1 mètre ou 10 centimètres
C’est la distance à laquelle on peut voir chaque feuille des arbres.
100 mètre ou 1 mètre
C’est la distance à laquelle on peut voir les branches des arbres.
101 mètres ou 10 mètres
C’est la distance à laquelle on peut deviner les feuilles des arbres.
102 mètres ou 100 mètres
C’est la distance à laquelle on peut voir un quartier d'un village.
103 mètres ou 1 kilomètre
C’est la distance à laquelle on peut voir un village.
104 mètres ou 10 kilomètres
C’est la distance à laquelle on peut voir une ville.
105 mètres ou 100 kilomètres
C’est la distance qui comprend une grande partie d'un département français.
106 mètres ou 1000 kilomètres ou 1 mégamètre
C’est la distance qui comprend entièrement la surface de la France.
107 mètres ou 10 mille kilomètres ou 10 mégamètres
C’est la distance qui comprend entièrement un hémisphère de notre Terre.
108 mètres ou 100 mille kilomètres ou 100 mégamètres
C’est la distance à laquelle on commence à deviner notre Terre.
109 mètres ou 1 million de kilomètres ou 1 gigamètre
C’est la distance qui comprend entièrement l'orbite de notre Lune.
1010 mètres ou 10 millions de kilomètres ou 10 gigamètres
C’est la distance qui comprend 10 fois l'orbite de notre Lune autour de la terre.
1011 mètres ou 100 millions de kilomètres ou 100 gigamètres
C'est la distance qui comprend presque entièrement l'orbite de Vénus. La deuxième planète la plus proche du centre du système solaire.
1012 mètres ou 1 milliards de kilomètres ou 1 téramètre
C’est la distance qui comprend entièrement l'orbite des astéroïdes de notre système solaire, c’est celle située entre Mars et Jupiter.
1013 mètres ou 10 milliards de kilomètres ou 10 téramètres
C’est la distance qui comprend presque entièrement les orbites des planètes de notre système solaire.
1014 mètres ou 100 milliards de kilomètres ou 100 téramètres
C’est la distance qui comprend entièrement les orbites des planètes de notre système solaire.
1015 mètres ou 1 pétamètre
A 1000 milliards de kilomètres de distance de notre galaxie le Soleil apparaît un peu plus gros aux observateurs extérieurs à notre galaxie.
1016 mètres ou 10 pétamètres
A 1 année lumière de distance de notre galaxie le Soleil apparaît aux observateurs extérieurs à notre galaxie.
1017 mètres ou 100 pétamètres
A 10 années lumière de distance on voit chaque point représentant les étoiles de la galaxie.
1018 mètres ou 1 examètre
A 100 années lumière de distance on voit la répartition des étoiles d'une galaxie.
1019 mètres ou 10 examètres
A Mille années lumière de distance on peut voir les tâches blanchâtres représentant le grand nombre d'étoiles de la galaxie.
1020 mètres ou 100 examètres
A 10 mille années lumière de distance on commence à apercevoir les étoiles d'une galaxie.
1021 mètres ou 1 zettamètre
A 100 mille années lumière de distance on voit la structure des galaxies, les bras, le disque central,
1022 mètres ou 10 zettamètres
A 1 million d'années lumière de distance on commence à voir le disque d'une galaxie.
1023 mètres ou 100 zettamètres
A 10 millions d'années lumière de distance, une galaxie est vue comme un point.
1024 mètres ou 1 yottamètre
100 millions d'années lumière, c’est la distance à laquelle on aperçoit les amas galactiques.
1025 mètres ou 10 yottamètres
1 milliard d'années lumière est une distance à laquelle on peut apercevoir une structure de super amas de galaxies.
1026 mètres ou 100 yottamètres
A 14 milliards d'années lumière de distance, chaque petit point est un superamas de galaxies. Il y a environ 10 millions de superamas de galaxies dans l'Univers visible.
3- Nature lacunaire de la matière
Il existe une propriété commune aux structures infiniment petites et infiniment grandes.
Il s'agit de la structure lacunaire.
Dans une telle structure, la matière est assez bien localisée dans certaines régions de l'espace et entre ces zones où se concentre la matière il règne le vide où le quasi vide.
Par exemple: Entre le noyau d'un atome et les électrons, il y a le vide. De même entre les galaxies il y a le quasi vide.
4- Répartition de la matière dans l'univers
La Terre est en orbite autour du soleil, qui est une étoile typique. Le soleil fait partie d’une concentration de quelques centaines de milliards d’étoiles qui forment notre galaxie, la Voie Lactée.
Visuellement, l’univers peut se résumer à ceci: des galaxies à perte de vue, comme l’illustre ce célèbre cliché pris par le télescope spatial Hubble.
La répartition spatiale des galaxies n’est cependant pas du tout aléatoire. Du fait de l’influence de la gravité, les galaxies proches s’attirent les unes les autres et forment des structures plus ou moins complexes.
Les nuages de Magellan visibles uniquement depuis l'hémisphère sud sont par exemple deux petites galaxies en orbite autour de notre Voie Lactée.
Le Petit Nuage de Magellan (PNM), nommé d'après le nom de l'explorateur Ferdinand Magellan, se trouve à 200 000 années-lumière de la Terre.
Dans notre voisinage immédiat, les deux plus grosses galaxies sont la galaxie d’Andromède M31 et notre Voie Lactée, et on trouve également plusieurs dizaines de galaxies de moindre importance, la plupart étant en orbite soit autour de notre Voie Lactée, soit autour de la galaxie d’Andromède.
L’ensemble forme ce que l’on appelle un groupe de galaxie. Celui dont fait partie la Voie Lactée s’appelle tout simplement groupe local et comprend quelques dizaines de galaxies.
Quand un groupe de galaxies comprend plusieurs milliers de membres dans une région relativement réduite, on parle alors d’amas de galaxies
Il existe également des concentrations plus importantes de plusieurs dizaines de milliers de galaxies, celles-ci pouvant faisant partie de groupes ou d’amas, ou alors étant isolées.
On parle alors de super amas.
Notre groupe local fait partie d’un super amas appelé super amas local, ou super amas de la Vierge, ou Virgo, du nom latin de la constellation de la Vierge qui représente la direction dans laquelle se trouvent les plus grosses galaxies du super amas.
Il ne semble pas qu’il y ait de "super super amas" ou de structures plus grandes. Les super amas représentent les plus grosses structures connues.
L’observation de ces grandes structures a longtemps été assez difficile mais on a désormais une image assez claire de la répartition de la matière dans l’univers.
Grossièrement, elle s’apparente à la forme d’une éponge.
Il existe d’immenses zones presques vides de toute matière, appelées simplement "vides".
A l’intersection de deux vides, on trouve des "feuillets" où la densité de matière peut être significativement plus grande, de même à l’intersection de plusieurs feuillets on trouve des filaments à l’intersection desquels sont situés les super amas.
Il existe donc de nombreuses galaxies ne faisant pas partie de super amas.
5- Le système solaire
Le système solaire est un célestes ou planétaire): les huit des "lunes"), les cinq glacés,
De façon schématique, le système solaire est composé du Soleil, de quatre planètes ceinture appel
Au-delà de cette ceinture de Kuiper se trouve un disque théorie avancée par
Ensuite vient l (ils deviennent plus faibles que le vent galactique).
De la plus proche du Soleil à la plus éloignée, les planètes du système se nomment des satellites en
Les cinq planètes naines, portant des noms de divinités diverses, sont objet connu de la ceinture de Kuiper,
Les planètes naines orbitant au-delà de Neptune, ce qui est le cas de quatre d'entre-elles, sont également classifiées comm
Toutes les planètes, la Terre exceptée, portent les noms d
Quelques caractéristiques des planètes sont données dans le tableau figurant à la dernière page.
6- Propagation de la lumière
La lumière peut d'abord se définir comme une onde, au même titre qu'une onde sonore.
C'est une vibration électromagnétique qui se propage dans le milieu où elle a été créée.
Mais la lumière présente également ce qu'on appelle un aspect corpusculaire, elle est constituée de "grains" d'énergie qu'on appelle photons.
L'une ou l'autre des deux approches est nécessaire si l'on désire expliquer certaines observations expérimentales.
Aujourd'hui on parle de dualité onde-corpuscule et on ne fait plus de séparation arbitraire entre les deux théories.
Dans un milieu transparent homogène et isotrope, la lumière se propage en ligne droite.
Le terme homogène signifie que le milieu traversé possède les mêmes propriétés en tout point. Si ce n'est pas le cas, la propagation n'est plus rectiligne.
Un milieu isotrope est un milieu dont les propriétés sont identiques quelle que soit la direction d'observation
La lumière, contrairement au son, peut se propager dans le vide. C'est grâce à cette propriété qu'on est capable d'observer la lune ou les étoiles très lointaines, la lumière parcourt alors dans le vide des distances gigantesques.
La lumière se propage à vitesse constante, la valeur de la vitesse de la lumière dans le vide est une constante universelle notée C.
C = 300 000 km.s-1 = 3,0.108 m.s-1
Cette vitesse, qu'il sera préférable d'appeler célérité, est indépendante du type de rayonnement émis (couleur) et elle constitue en physique une limite absolue, aucun objet n'est capable de la dépasser.
La valeur de cette vitesse est aujourd'hui connue avec une remarquable précision (299 792 458 m.s-1), à tel point qu'elle permet de définir le mètre.
Le mètre est la distance parcourue par la lumière dans le vide pendant une durée de 1/299 792 458 seconde.
Dans les autres milieux transparents (eau, verre, ...), la lumière se propage toujours à une vitesse inférieure à 300 000 km.s-1. Par exemple dans l’eau C ≈ 225 000 km.s-1 et dans le verre C ≈ 200 000 km.s-1
7- L'année de lumière
L’année-lumière, ou plus correctement année de lumière (symbole al), est une
Une année-lumière est la distance parcourue par un dans le vide, en dehors de tout champ de 365,25
L
une année-lumière est exactement égale à:
1 al = 9 460 730 472 580,89 km = 9,460730
L'année-lumière s'utilise surtout en vulgarisation pour exprimer les distances interstellaires et intergalactiques, car cette unité est facilement accessible par le grand public: elle représente la distance parcourue par la lumière pendant le temps cité.
Par exemple, l'étoile la plus proche du système solaire, 4,22 al, tandis que le 100 000 al. L
Quelques autres valeurs de distance.
Objet Distance (en unité de lumière) Distance Lune - Terre 1,28 s
Distance Soleil - Terre 8 min 20s Rayon du Système solaire 5h 30 min
Distance Soleil - Étoiles proches 10 années (4,3 pour la plus proche) Diamètre de la Galaxie 100 000 années
Distance au Groupe local 2,5 millions d'années Distance au Superamas local 50 millions d'années Taille de l'Univers 13,7 milliards d'années
Polaris, l'étoile polaire, est située à 4,08.1015km de la Terre. Exprimée en année lumière, cette distance est donc de 431 al.
La lumière venant de cette étoile a voyagé pendant 431 ans avant d'arriver sur la Terre.
On voit donc cette étoile telle qu'elle était il y a 431 ans.
La galaxie d'Andromède est située à environ 2 millions d'années de lumière. C'est la galaxie la plus proche de la voie lactée.
Lorsqu'on l'observe, on la voit telle qu'elle était il y a environ 2 millions d'années.
Plus les objets que nous observons sont éloigés, plus la lumière a mis de temps à nous parvenir. La lumière émise par les objets lointains témoigne du passé de l'Univers.
C'est la raison pour laquelle que l'on dit que voir loin, c'est voir dans le passé.
Caractéristiques des planètes
Caractéristiques Mercure Venus Terre Mars Jupiter Saturne Uranus Neptune
Symbole
Diamètre (km) 4878 12102 12756 6794 142984 120536 51118 49528
Circonférence (km) 15324 38019 40024 21318 449197 378675 160591 155596
Périhélie (106km) 45,9 107,4 147,1 206,6 740,5 1352,6 2741,3 4456
Aphélie (106km) 69,7 109 152,1 249,2 815,6 1514,5 3013,6 4545,7
Rayon de l'orbite (106km) 57,8 108,2 149,6 227,9 778,6 1433,5 2872,5 4495,1
Satellites 0 0 1 2 63 47 27 13
Température Minimale (°C) - 185 - 90 - 143 - 125
Température Maximale (°C) 430 58 22 17
Température Moyenne (°C) 167 465 15 - 65 - 54 - 150 - 210 - 220
Anneaux Non Non Non Non 2 fins oui 9 5
Nombre de satellites 0 0 1 2 16 18-22 15 8
Masse (1024kg) 0,33 4,87 5,9736 0,642 1899 568 86,8 102
Masse (Terre = 1) 0,0553 0,81 1 0,11 318 95,1 14,5 17,1
Période de Révolution (ans) 0,24 0,615 1 1,88 11,86 29,46 84 164,79
Rotation sur son axe 58j15h38min 243j 23h56min4s 24h37min23s 9h0min 11h30min 17h24min 16h3min Vitesse autour du Soleil
(km/s) 47,78 35,02 29,78 24,11 13,07 9,66 6,81 5,43
Inclinaison ecliptique 7,005 3,395 0 1,851 1,305 2,485 0,770 1,769
Inclinaison (°) 0 -2 23.5 25 3 27 98 27
Attraction gravitationnelle
(N/kg) 3,78 8,60 9,81 3,72 24,892 10,584 8,624 11,27
Excentricité de l'orbite 0,205 0,007 0,017 0,094 0,055 0,057 0,046 0,01
Pression surface (bar) 0 92 1 0.01
Masse Volumique (kg/m³) 5,42 5,24 2,51 3,93 1,32 0,68 1,27 1,63
Volume (1011 km3) 0,61 9,28 10,83 1,64 15305,97 9 169,57 699,39 636,14 Temps Lumière Soleil-
Planète
(min) 3,20 6,012 8,33 12,66 43,24 79,44 159,70 249,81
