L'univers d'aujourd'hui

 

 

I. Les nouvelles façons de penser

a) Kepler

Comme nous l'avons vu précédemment, Kepler a eu une grande influence dans le monde de l'astronomie, notamment par les travaux qu'il a mené pour confirmer la théorie de l'héliocentrisme de Copernic. Mais il est surtout connu pour être l'un des fondateurs de l'astronomie moderne grâce à la création de 3 lois qui portent son nom. Voici ces lois :

1) Dans le référentiel héliocentrique, le centre d'une planète gravitant autour du soleil suit une trajectoire elliptique dont un des foyers est le centre du soleil .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2) Les aires balayées par le rayon vecteur d'une planète sont proportionnelles au temps.

Simplifiée, elle signifie que la vitesse d'une planète est variable sur son orbite et qu'elle diffère par rapport à l'endroit où elle se trouve. Sur le schéma ci-dessous, la vitesse est plus élevée en P qu'en A.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3) Le carré de la période de révolution est proportionnel au cube du demi-grand-axe de l'orbite.

Elle se traduit par la relation : a³/p²=K

a s'exprime en UA (Unité Astronomique, 1UA = 150 000 000km) et correspond au demi-grand-axe de l'orbite.

p correspond période de révolution et s'exprime en année.

K est une constante.

Cete loi permet de calculer la distance de la planète par rapport à son étoile si l'on connait K et sa période de révolution.

 

Ces trois lois ont beaucoup apporté car elles ont inspiré beaucoup d'astronomes, notamment Sir Isaac Newton.

 

b) Newton

Isaac Newton (mathématicien, astronome et physicien anglais) est né le 25 décembre 1642 (d'après le calendrier Julien , mais le 4janvier 1643 d'après notre décompte) et est mort le 20 mars 1727.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

En 1661, Isaac Newton entre au Trinity College de Cambridge. C'est à cette période qu'il établi une relation entre la chute d'un corps à la surface de la Terre et le mouvement de la Lune. Cette idée n'était encore qu'une hypothèse, il ne la validera qu'en 1687, année où il publiera les Philosophiae naturalis principia mathematica plus connu sous le nom de Principia.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Avant de publier ces ouvrages, il dû peaufiner sa théorie, notamment grâce à l'invention du télescope en 1672 qui lui ouvrit les portes de la Royal Society (équivalent anglais de l'Académie des sciences).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pour pouvoir valider sa théorie, Newton dû créer une nouvelle branche des mathématiques : le calcul différentiel et intégral plus communément appelé calcul infinitésimal.

La notion de différentielle établit une relation entre les variations de plusieurs fonctions, tout comme la notion de la notion de dérivée. La vitesse, l'accélération, et les pentes des courbes des fonctions mathématiques en un point donné peuvent toutes être décrites sur une base symbolique commune.

Le calcul intégral développe l'idée d'intégration et fait intervenir le concept d'aire sous-tendue par le graphe d'une fonction en incluant des notions connexes comme le volume.

Ces deux concepts définissent des opérations inverses qui elles-même définissent  les théorèmes fondamentaux du calcul infinitésimal.

Toutes ces observations, ses théorèmes et ses calculs ont permit d'aboutir au résultat qu'il escomptait : la théorie de la gravitation. Elle fût décrite dans ses ouvrages Principia. Cette théorie dit que tous les corps s'attirent avec une force proportionnelle à leur masse respective et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare. Elle traduit donc, par une équation mathématique, la notion d'interaction gravitationnelle.

 

 

 

 

Soient deux corps A et B de masses respectives mA et mB, distants de AB.

Alors, le vecteur force gravitationnelle exercée par A sur B est opposé au vecteur force gravitationnelle exercée par B sur A. G est la constante gravitationnelle, elle st égale à 6,6742.10-11 N·m2·kg-2 (ou SI, Système Internationale). Les masses mA et mB sont exprimées en kg, la distance AB en m et la force du vecteur en N (Newton).

Cette loi fût validée et acceptée par la communauté scientifique qui s'en inspira, notamment Albert Einstein qui l'utilisa pour créer la relativité générale.

 

 

c) La relativité restreinte et générale

 

 

Albert Einstein est né le 14 mars 1879 en Allemagne dans la ville de Urm et est mort le 18 avril 1955 aux Etats-Unis à Princeton. C'était un élève médiocre à l'école mais il s'intéressait beaucoup aux sciences physiques et mathématiques, tellement que cette passion le poussa à s'incrire à l'école polytechnique de Zurich. Il se fit recaler la première fois mais l'intégra la deuxième fois, en 1896.

Malgré cela, ces résultats scolaires restent faible et il ne pu aspirer à des postes universitaire. Il se mit donc à travailler à l'Office fédéral des brevets de Berne en tant qu'expert n 1902. C'est à ce moment qu'il créa la relativité restreinte (sucession de 4 articles paruent en 1905).

C'est une théorie qui affirme que la vitesse de la lumière est constante dans le vide, quelle que soit sa source ; les lois physiques de la relativité s’appliquent de la même façon dans un référentiel inertiel (c’est-à-dire dans un milieu constant, sans accélération ni changement de direction : deux référentiels sont en mouvement rectiligne uniforme l'un par rapport à l'autre).L’espace et le temps sont relatifs à chacun des repères inertiels des observateurs. Il la complète dans son dernier article par la formule E=mc². E est l'énergie exprimée en joules, m est la masse exprimée en kg et c est une constante qui équivaut à la vitesse de la lumière, c'est à dire 3,00.10^8 km/s.

Malheureusement comme son nom l'indique, la théorie de la relativité restreinte se limite au cas du référentiel inertiel, Einstein désire donc pousser sa théorie sur quelque chose de plus générale, la théorie de la relativité générale.

Mais pour pouvoir la créer, il aura besoin de connaissances poussées en mathématiques ce qui lui fait défaut. Il faudra qu'il attende de retrouver un de ses anciens camarades en devenant professeur à l'école polytechnique de Zurich (en 1912). Ce camarade est Marcel Grossmann. Grâce à ce dernier, il put continuer ses recherches et finir ses travaux.

Contrairement à la relativité restreinte, la relativité générale "remplacera" la théorie de la gravitation de Newton car ce dernier affirme que la Terre tourne autour du Soleil à cause de la force gravitationnelle que celui-ci exerce sur notre planète. Einstein dis que le mouvement de la Terre est dû à une perturbation de l'espace-temps introduite par la masse du Soleil.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Sur le schéma ci-dessus, l'espace-temps est représenté par le "tissu" bleu et noir, le Soleil par la sphère rouge au centre et le mouvement de la Terre par la flèche jaune.

Malgré une vision de l'Univers très différente, la théorie de Newton et celle d'Einstein donnent des résultats quasiment identiques. Les différences se trouvent seulement dans les cas extrêmes comme un corps qui se déplace à une vitesse proche de celle de la lumière ou un corps qui engendre de très forts champs de gravités (trous noirs par exemple).

 

II. Les innovations technologiques

 

a) La lunette astronomique

 

Pour pouvoir parfaire leurs théories et leurs observations, les astronomes ont de tout temps essayé d'améliorer leur vision de l'Univers en créant des objets capables de voir toujours plus loin.

La première invention est la lunette télescopique. On ne sait pas qui est son véritable inventeur mais celui qui l'a apporté dans le monde de l'astronomie est Galilé. Il lui donna d'abord un grossissement de 6, puis de 20 et il alla jusqu'à 30.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

La plus grande lunette astronomique existante est la Grande lunette de l'exposition universelle de 1900. Malheureusement cette lunette était considérée comme trop onéreuse et fut mise aux enchères. Elle ne sera pas acheter mais elle sera démentelée. Son miroir de 2m de diamètre est exposé à l'Observatoire de Paris.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Le principe de la lunette était bien pensé mais il n'était pas assez puissant face aux nouvelles technologies et aux nouvelles théories sur l'Univers. On créa donc le télescope.

 

b) Le télescope

 

La différence entre ce-dernier et la lunette astronomique est que la lunette a un objectif composé d'un ensemble de lentilles tandis que le télescope a un objectif-miroir. Il a aussi des avantages sur sa prédecesseuse : il est plus facile de frabriquer un grand miroir plutôt qu'une grande lentille mais surtout il est plus léger et plus facile à manier.

James Gregory, en 1663, proposa la première formule d'un télescope mais le tout premier fut créer par Isaac Newton en 1671.

Aujourd'hui le plus grand télescope du monde est le Large Binocular Telescope (LBT) utilisé par la NASA. Il possède deux mirroirs de 8,4m de diamètre.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C'est actuellement le plus grand télescope au monde mais le Télescope de Magellan est en cours de construction au Chili. La fin des travaux est prévue d'ici 2021.

Ce sont les plus grands télescopes au monde mais ce sont ceux ui sont présents sur Terre, il y a aussi les télescopes spatiaux. C'est le premier satellite artificiel Spoutnik 1 (lancé dans l'espace le 4 octobre 1957) qui est le précurseur des vrais télescopes spatiaux.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Le télescope spatial le plus connu est le télescope Hubble, qui sera remplacé en 2018 par le télescope James-Webb.