Le soir, en levant la tête, tu vois la Lune, une ou deux planètes et des milliers d’étoiles. Tous ces astres font partie d’un même ensemble : l’Univers, dont notre système solaire n’est qu’un tout petit coin. Comment est-il organisé, et comment mesurer des distances qui dépassent l’imagination ?
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Le système solaire : une étoile et ses planètes
Le système solaire est formé du Soleil, d’une étoile moyenne qui contient 99,9 % de sa masse, et des astres qui tournent autour de lui : huit planètes, leurs satellites naturels, des astéroïdes et des comètes. Les planètes décrivent des trajectoires presque circulaires appelées orbites, toutes dans le même sens et à peu près dans le même plan.
On distingue deux familles. Les quatre planètes proches du Soleil, Mercure, Vénus, la Terre et Mars, sont telluriques : petites, denses, avec une surface solide rocheuse. Les quatre planètes éloignées, Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune, sont des planètes géantes : très grosses, peu denses, sans surface solide (gaz pour Jupiter et Saturne, glaces et gaz pour Uranus et Neptune). Entre Mars et Jupiter circule une ceinture d’astéroïdes, de petits blocs rocheux.
Une étoile produit et émet sa propre lumière (le Soleil). Une planète tourne autour d’une étoile et ne fait que renvoyer sa lumière. Un satellite naturel tourne autour d’une planète : la Lune est le satellite de la Terre.
Les distances dans le système solaire
Pour les distances du système solaire, le kilomètre suffit encore, mais les nombres deviennent vite énormes : on utilise la notation scientifique (puissances de dix). La Terre est à 1,50 × 108 km du Soleil, la Lune à 3,84 × 105 km de la Terre. Une autre façon de « sentir » ces distances est de calculer la durée que met la lumière pour les parcourir, avec c = 3,00 × 105 km/s.
t = d ÷ c
t en secondes (s), d en kilomètres (km), c = 3,00 × 105 km/s.
| Planète | Distance au Soleil (millions de km) | Durée de la lumière |
|---|---|---|
| Mercure | 58 | 3 min 13 s |
| Vénus | 108 | 6 min |
| Terre | 150 | 8 min 20 s |
| Mars | 228 | 12 min 40 s |
| Jupiter | 778 | 43 min |
| Saturne | 1 427 | 1 h 19 min |
| Uranus | 2 871 | 2 h 40 min |
| Neptune | 4 495 | 4 h 10 min |
Jupiter est à d = 7,78 × 108 km du Soleil. t = d ÷ c = 7,78 × 108 ÷ 3,00 × 105 ≈ 2 593 s, soit environ 43 minutes. Un message radio, qui voyage à la même vitesse, mettrait ce temps à aller du Soleil à Jupiter.
Au-delà du système solaire : étoiles, galaxies, Univers
Les étoiles que l’on voit la nuit sont des soleils très lointains. La plus proche du Soleil, Proxima du Centaure, est à 4,2 années-lumière. Avec le kilomètre, ces distances n’ont plus de sens : on utilise l’année-lumière.
Une année-lumière (al) est la distance que parcourt la lumière dans le vide en une année : 1 al ≈ 9,46 × 1012 km. Pour la durée, on a bien 1 an, mais l’unité mesure une longueur.
Les étoiles sont regroupées en galaxies, des ensembles de plusieurs centaines de milliards d’étoiles liées entre elles. Notre galaxie s’appelle la Voie lactée : elle a la forme d’un disque aplati à bras spiraux, d’environ 100 000 al de diamètre. Le Soleil est dans l’un de ses bras, à environ 26 000 al du centre. La galaxie d’Andromède, notre grande voisine, est à environ 2,5 millions d’années-lumière.
Les galaxies forment à leur tour l’Univers, dont on estime l’âge à environ 13,8 milliards d’années. Les astronomes pensent qu’il est né d’un état très chaud et très dense, le Big Bang, et qu’il est depuis en expansion.
Les ordres de grandeur
Pour comparer des tailles très différentes, on compare les puissances de dix. Passer de 104 km à 108 km, c’est multiplier par 10 000. Le diagramme montre l’exposant de la puissance de dix des distances que l’on vient de rencontrer : une barre deux fois plus haute représente une valeur élevée à la puissance double, pas une valeur double.
Regarder loin, c’est regarder dans le passé
La lumière n’est pas instantanée. Quand on observe un astre à d années-lumière, on reçoit une lumière partie il y a d ans : on le voit tel qu’il était alors. La Lune est vue avec 1,3 s de retard, le Soleil avec 8 min 20 s, Proxima avec 4,2 ans et la galaxie d’Andromède avec 2,5 millions d’années. Observer l’Univers lointain, c’est donc remonter dans son histoire.
La gravitation maintient l’ensemble
Deux objets qui ont une masse s’attirent : c’est la gravitation. Cette force est proportionnelle aux masses et diminue quand la distance augmente. Elle retient la Lune autour de la Terre, les planètes autour du Soleil, le Soleil dans la Voie lactée. Sans elle, les astres s’éloigneraient en ligne droite.
L’année-lumière n’est pas une durée. Autre confusion : les planètes ne sont pas des étoiles, elles ne produisent pas de lumière. Enfin, la Terre n’est pas « plus petite » que la Voie lactée d’un facteur modeste : l’écart est d’environ 1014.
L’essentiel à retenir
- Le système solaire comprend le Soleil, huit planètes (4 telluriques, 4 géantes), leurs satellites, des astéroïdes et des comètes.
- Une étoile émet de la lumière ; une planète en renvoie seulement.
- Les étoiles sont regroupées en galaxies ; la nôtre est la Voie lactée (environ 100 000 al de diamètre).
- 1 al ≈ 9,46 × 1012 km : c’est une distance.
- t = d ÷ c avec c = 3,00 × 105 km/s : on voit un astre lointain dans son passé.
- L’Univers a environ 13,8 milliards d’années.